在微生物世界的竞争战场上，微生物通常通过产生各种毒素来消灭竞争对手，在这种情况下，有时候做一个和平主义者会更有利。
康奈尔大学应用数学中心的研究人员发现，如果环境恶劣或经历剧烈动荡，和平的微生物更有可能繁衍生息，而更具攻击性的微生物则会灭亡。
研究结果于6月26日发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上。论文的第一作者是MingYi Wang，M.S. '21，Ph.D. '24。
“一个重要的总体问题是：什么时候表现出对抗性是有利的，什么时候又是有害的？” 康奈尔工程学院土木与环境工程助理教授、论文的共同高级作者Andrea Giometto说。“微生物通常需要付出代谢成本来展示对抗行为，因此它们必须投入一些能量到这一点上。尤其是在有生长机会且周围微生物仍然很少的情况下，把能量重新分配给更快地分裂可能会更好。”
该项目始于Wang当时作为应用数学博士生参加Giometto开设的复杂系统随机建模课程，该课程使用生物学和环境科学的例子来探讨随机性起关键作用的过程。
Wang还邀请了他的博士导师、文理学院数学教授Alexander Vladimirsky参与进来。
Vladimirsky说：“他回来跟我说，‘嘿，有一个非常棒的领域，我们的数学工具可以派上用场’。” “这开始了我和Andrea之间的交流。”
微生物的对抗行为帮助它们建立自己并战胜对手，这是一种可以通过保护宿主免受病原体侵害来使宿主受益的策略，并且更广泛地帮助人类提供抗菌化合物以对抗感染。但这种竞争如何展开取决于其发生的时间、地点及持续时间。
在未受干扰的实验室环境中，对抗性微生物往往胜过不那么具攻击性的竞争对手，但在环境波动时，相反的情况经常发生。这包括大多数时候都适宜但频繁遭受剧烈扰动的环境，例如肠道微生物群因抗生素疗程而受到干扰，或者人们刷牙去除牙菌斑时。
研究人员试图重现这些“繁荣与萧条”周期。每天，团队都会培养酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的一种“杀手”株和一种“敏感”株，然后稀释它们并测量每种菌株有多少细胞存活下来。然后他们一遍又一遍地重复这个循环。
Giometto表示：“我们看到的是，当环境被非常频繁地稀释——在我们的实验中是每天——非对抗性细胞的表现优于每48小时才稀释一次的情况。”
团队的计算模型解决了生物实验难以回答的问题，例如不同稀释强度和频率的影响、稀释时间的随机性与可预测性以及对抗性微生物的不同毒素生产策略。该模型还强调了某些对抗性微生物“策略”的重要性，例如群体感应，这使得它们能够根据特定的环境或微生物线索进行战斗。
Vladimirsky说：“当稀释时间是随机的时候，对抗性微生物在选择何时产生毒素方面可以获得相当可观的好处。” “相比之下，当稀释严格按照计划进行时，我们的计算实验表明，它们从选择性行为中获得的好处要小得多。”
了解对抗行为的代谢成本与其竞争利益之间的权衡，可能有助于未来设计益生菌，使其能通过调整自身的攻击行为来有效对抗感染，从而响应社区组成和环境条件。
也许，这对从微生物到动物、人和组织的各种竞争者都有启示。
Vladimirsky说：“通俗地说，如果你太专注于伤害他人，那就剥夺了本可用于自我提升或繁殖更多后代的时间和精力。” “我们的研究表明，对抗行为从长远来看是否值得是一个微妙的问题。答案并不完全由竞争对手的类型和数量以及竞争环境的时间平均属性决定。它也深受环境随时间变化方式的影响。”
这项研究得到了美国国立卫生研究院所属国家普通医学科学研究所、人类前沿科学计划、国家科学基金会和空军科研办公室的支持。
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