生態学的に駆動される空間的カオスによる広範な細胞の多様性の安定化

最近、微生物寿命の多様性が種レベルをはるかに下回っていることが、遺伝的違いの最高のスケールにまで及んでいることが明らかになりました。驚くべきことに、大規模な多様性は空間的に共存する可能性があります。選択的または生態学的な違いやその他の進化プロセスにもかかわらず、この多様性は長いタイムスケールでどのように安定していますか？ほとんどの作業は、安定した共存または想定される生態学的中立性に焦点を合わせてきました。代替案を提示します。生態学的に駆動された空間的カオスによって維持される広範な多様性を提示します。ニッチや株間のその他の専門家の違いについての仮定はありません。私たちは、複数の宿主株に感染する複数の病原体株に触発された相互作用の反対称相関を備えた一般化されたLotka-volterraモデルを研究します。一般的に、これらはますます野生の人口変動が絶滅を促進する混乱を示しています。しかし、最も単純な空間構造、それらの間に移動する多くの同一の島は、多様な混oticとした状態を安定させます。いくつかの株（亜種）は世界的に絶滅しますが、多くは島の数で指数関数的に長い時間を続けています。すべての持続的な株には、多くの人にとって平均人口増加率が陰性であるため、持続性に不可欠であるため、存在性の高い局所ブルームがあります。豊富な分布のスナップショットは、生態学の中立理論と本質的に見分けがつかない中間の存在量のパワー法則を示しています。しかし、大きな集団のダイナミクスは、出生死の変動よりもはるかに高速です。この時空間的に混oticとした「位相」は、広範囲のモデルに存在するはずであり、急速に混合されたシステムであっても、長寿命の胞子が同様に多様なカオス相を安定させる可能性があると主張します。

It has recently become apparent that the diversity of microbial life extends far below the species level to the finest scales of genetic differences. Remarkably, extensive fine-scale diversity can coexist spatially. How is this diversity stable on long timescales, despite selective or ecological differences and other evolutionary processes? Most work has focused on stable coexistence or assumed ecological neutrality. We present an alternative: extensive diversity maintained by ecologically driven spatiotemporal chaos, with no assumptions about niches or other specialist differences between strains. We study generalized Lotka-Volterra models with antisymmetric correlations in the interactions inspired by multiple pathogen strains infecting multiple host strains. Generally, these exhibit chaos with increasingly wild population fluctuations driving extinctions. But the simplest spatial structure, many identical islands with migration between them, stabilizes a diverse chaotic state. Some strains (subspecies) go globally extinct, but many persist for times exponentially long in the number of islands. All persistent strains have episodic local blooms to high abundance, crucial for their persistence as, for many, their average population growth rate is negative. Snapshots of the abundance distribution show a power law at intermediate abundances that is essentially indistinguishable from the neutral theory of ecology. But the dynamics of the large populations are much faster than birth-death fluctuations. We argue that this spatiotemporally chaotic "phase" should exist in a wide range of models, and that even in rapidly mixed systems, longer-lived spores could similarly stabilize a diverse chaotic phase.