The evolution of microbial cooperation under chaotic environmental flows - Miranda, João Pedro Valeriano (2023)
Comunidades microbianas exibem uma variedade de comportamentos sociais que podem melhorar o desempenho de múltiplas tarefas. Um desses comportamentos é a cooperação, que podemos definir amplamente como qualquer ação em que o executor assume um custo para gerar um benefício que é compartilhado com o restante da população. Como os subprodutos do comportamento cooperativo podem ser compartilhados com indivíduos que não contribuem para esse comportamento, os indivíduos cooperadores estão propensos à exploração por cepas ``trapaceiras''. Um exemplo paradigmático de cooperação no mundo microbiano é a síntese de bens públicos, exoprodutos produzidos a um custo, que proporcionam benefício a células nas proximidades do produtor, independentemente de estas contribuírem ou não para a sua produção. De acordo com os modelos simples, os cooperadores são sempre extintos devido ao surgimento de mutações trapaceiras. No entanto, a cooperação ainda é um comportamento onipresente na natureza, o que motivou um desenvolvimento de pesquisa na área com o objetivo de desvendar os mecanismos capazes de tornar o comportamento cooperativo evolutivamente estável. Espécies cooperativas podem desenvolver múltiplas características que funcionam como contramedidas diretas contra a sua exploração, como policiamento ou punição destes trapaceiros. Outras características podem fornecer benefícios indiretos aos cooperadores, como a agregação espacial. Neste trabalho, estamos interessados em saber se -- e até que ponto -- o ambiente físico de uma comunidade microbiana pode ou não fornecer um mecanismo que facilite a sobrevivência dos cooperadores. As populações microbianas são frequentemente encontradas em habitats aquosos, onde os fluxos ambientais podem misturar os organismos para gerar estruturas espaciais muito diferentes daquelas formadas na ausência de fluxos externos. Combinamos simulações numéricas e aproximações analíticas para investigar o efeito de fluxos ambientais caóticos na dinâmica de um sistema de duas cepas microbianas, uma que produz bens públicos e outra que não. Nossas simulações numéricas mostram que a mistura caótica dos organismos pode levar à coexistência estável das duas cepas, um resultado não previsto pela aproximação de campo médio que derivamos para nosso modelo de duas cepas. Para melhor entender como a coexistência das cepas se torna estável, comparamos o cenário de fluxo caótico com um em que os organismos se difundem muito rapidamente. Comparando esses dois cenários, observamos que fluxos caóticos rápidos permitem a coexistência não por criar estruturas espaciais que separam cooperadores de trapaceiros, mas por enfraquecer as correlações espaciais criadas por eventos de reprodução. A quebra das correlações espaciais aproxima o sistema de um cenário com distribuição homogênea de indivíduos. No entanto, devido ao alcance finito das interações e à natureza estocástica do sistema, a vizinhança de cada produtor é diferente e muda constantemente devido ao fluxo externo. Concluímos que a combinação de mistura caótica, estocasticidade demográfica e interações de alcance finito permite a coexistência, pois a vizinhança de cada cooperador alterna continuamente entre os estados de presença e ausência de trapaceiros. Por fim, propomos direções para investigações futuras para melhor entender a coexistência no sistema estudado.