体积与大小波动种群中合作性抗微生物耐药性的生态-进化动力学

抗微生物耐药性（AMR）对人类和动物健康构成全球性威胁，通常被认为源于合作行为。此外，微生物通常在易变环境中进化，这些环境与种群统计波动（出生和死亡事件）共同作用，极大地改变了种群大小和菌株存活。出于更好地理解 AMR 进化的动机，我们研究了一个大小随时间变化、由耐药菌株与药敏菌株这两个竞争菌株组成的种群，该种群受种群统计与环境变异性的影响。该模型通过一个在温和与严酷环境条件间随机切换的二元环境容纳量来构建，该容纳量驱动波动的体积（固定浓度下营养物质与抗微生物药物的总量），进而驱动群落大小（耐药与敏感细胞的数量）。我们假设当耐药细胞浓度超过固定浓度合作阈值时，AMR 是一种共享的公共物品，高于该阈值时敏感菌株具有生长优势，而低于该阈值时耐药细胞占据主导。通过计算手段，并设计一种基于适当的淬火与退火平均程序的分析处理方法，我们全面刻画了波动对 AMR 生态-进化动力学的影响，特别地，获得了特定菌株固定与长期共存概率作为环境变化速率与合作阈值的函数。我们发现微生物菌株倾向于共存，但对于较小或较大的浓度合作阈值，种群统计波动最终分别导致敏感或耐药细胞的灭绝。该结论同样适用于动态环境，其特定属性决定了灭绝的时间尺度。