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Enregistrement W4315776986 · doi:10.1101/2023.01.10.523527

Spatial exclusion leads to tug-of-war ecological dynamics between competing species within microchannels

2023· preprint· en· W4315776986 sur OpenAlexafffund
Jeremy Rothschild, Tianyi Ma, Joshua N. Milstein, Anton Zilman

Notice bibliographique

RevuebioRxiv (Cold Spring Harbor Laboratory) · 2023
Typepreprint
Langueen
DomaineSocial Sciences
ThématiqueEvolutionary Game Theory and Cooperation
Établissements canadiensUniversity of Toronto
Organismes subventionnairesNatural Sciences and Engineering Research Council of Canada
Mots-clésFixation (population genetics)EcologySpatial ecologyExtinction (optical mineralogy)BiologyPopulationEcosystemSpatial distributionCompetition (biology)Evolutionary biologyStatistical physicsBiological systemPhysicsMathematicsStatistics

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Abstract Competition is ubiquitous in microbial communities, shaping both their spatial and temporal structure and composition. Many classic minimal models, such as the Moran model, have been employed in ecology and evolutionary biology to understand the role of fixation and invasion in the maintenance of a population. Informed by recent experimental studies of cellular competition in confined spaces, we extend the Moran model to explicitly incorporate spatial exclusion through mechanical interactions among cells within a one-dimensional, open microchannel. The results of our spatial exclusion model differ significantly from those of its classical counterpart. The fixation/extinction probability of a species sharply depends on the species’ initial relative abundance, and the mean time to fixation is greatly accelerated, scaling logarithmically, rather than algebraically, with the system size. In non-neutral cases, spatial exclusion tends to attenuate the effects of fitness differences on the probability of fixation, and the fixation times increase as the relative fitness differences between species increase. Successful fixation by invasive species, whether through mutation or immigration, are also less probable on average than in the Moran model. Surprisingly, in the spatial exclusion model, successful fixations occur on average more rapidly in longer channels. The mean time to fixation heuristically arises from the boundary between populations performing either quasi-neutral diffusion, near a semi-stable fixed point, or quasi-deterministic avalanche dynamics away from the fixed point. These results, which can be tested in microfluidic monolayer devices, have implications for the maintenance of species diversity in dense bacterial ecosystems where spatial exclusion is central to the competition, such as in organized biofilms or intestinal crypts. The results may be broadly applied to any system displaying tug-of-war type dynamics with a region of quasi-neutral diffusion centered around regions of deterministic population collapse. Author summary Competition for territory between different species has far reaching consequences for the diversity and fate of bacterial communities. In this study, we theoretically and computationally study the competitive dynamics of two bacterial populations competing for space in confined environments. The model we develop extends classical models that have served as paradigms for understanding competitive dynamics but did not explicitly include spatial exclusion. We find that spatial effects drastically change the probability of one species successfully outcompeting the other and accelerates the mean time it takes for a species to exclude the other from the environment. In comparison to the predictions of population models that neglect spatial exclusion, species with higher selective advantages are less heavily favoured to outcompete their rival species. Moreover, spatial exclusion influences the success of an invasive species taking over a densely populated community. Compared to classical well-mixed models, there is a reduction in the effectiveness of an invaders fitness advantage at improving the chances of taking over the population. Our results show that spatial exclusion has rich and unexpected repercussions on species dominance and the long-time composition of populations. These must be considered when trying to understand complex bacterial ecosystems such as biofilms and intestinal flora.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,002
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: Empirique
Score de désaccord entre enseignants0,005
Score d'incertitude au seuil0,009

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,002
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0000,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0010,000
Études des sciences et des technologies0,0010,002
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0010,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0020,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,031
Tête enseignante GPT0,264
Écart entre enseignants0,233 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations1
Publié2023
Routes d'admission2
Résumé présentoui

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