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Les scientifiques ont modélisé mathématiquement la vie des communautés microbiennes, expliquant comment elles parviennent à maintenir la diversité et la stabilité en même temps. Les résultats du travail sont présentés dans Physical Review Letters, et la pré-impression de l'article scientifique peut être consultée gratuitement sur le site Web d'Arxiv.
Pendant de nombreuses années, les biologistes ont été incapables de percer le secret de la communauté des microorganismes marins et de comprendre comment elle peut être si diversifiée, tout en restant stable. Non seulement les habitants unicellulaires des plans d'eau peuvent se vanter de ces caractéristiques, mais aussi des communautés microbiennes vivant dans les corps de grands organismes et ailleurs.
Dans la plupart de ces communautés, il existe des espèces «centrales», qui sont les plus représentées, et des espèces «périphériques», qui sont moins importantes. Ils sont tous en concurrence pour une ressource ou une gamme limitée de ressources. Selon les calculs précédents et les modèles antérieurs, la croissance de certaines populations devrait être forte et exponentielle, ce qui peut perturber l'équilibre de toute la communauté. Gagnant en nombre, certaines populations doivent capter l'essentiel de la ressource, privant d'autres de nourriture sur le principe de l'exclusion compétitive. Mais en réalité, cela ne se produit pas et la communauté reste stable. Les scientifiques appellent cela le paradoxe du plancton.
L'une des principales théories expliquant le paradoxe repose sur deux grands principes. La première est que certaines bactéries mangent les déchets et les déchets que d'autres excrètent. Un autre repose sur le fait que les nouveaux arrivants dans la communauté devraient choisir des niches écologiques libres ou, mieux que d'autres membres de la communauté, occuper les niches existantes.
Les chercheurs ont créé une simulation mathématique de cette théorie en définissant un ensemble de règles initiales. Chaque membre de la communauté ne pouvait consommer qu'un seul type de ressource, entraînant la production de deux nouveaux types. Les scientifiques ont également suggéré que les membres émergents de l'écosystème ne peuvent survivre que s'ils trouvent un créneau pour eux-mêmes, en occupant un vide ou en apprenant à mieux utiliser une ressource déjà occupée.
Le modèle a permis de créer une communauté virtuelle où, comme dans les véritables communautés microbiennes, la stabilité et la diversité étaient maintenues. Les mathématiciens ont remarqué qu'au début du développement de leur écosystème virtuel, il y avait parfois des «extinctions» générales, lorsque de nouvelles espèces, utilisant plus efficacement la ressource, s'emparaient du pouvoir. Puis les espèces qui ont mangé les déchets des anciens «favoris» ont péri. Mais avec le temps, la communauté est devenue plus stable et de telles extinctions sont devenues beaucoup moins courantes.