泄漏型微生物贸易中的悖论

微生物产生对细胞生长至关重要但会穿过细胞膜泄漏到胞外环境中的代谢资源。同一环境中的其他微生物可以利用这些资源并相应调整自身的代谢生产——从而导致其他资源泄漏到环境中。这些过程的综合效应构成了一种经济体系，其中生物体的生长和代谢生产与群落中的其他成员相耦合。针对两种细胞类型的情况，我们提出了一个描述代谢物浓度、生产调节和种群频率共同演化动力学的模型，其中每种细胞都需要并能够产生两种代谢物。在此模型中，无需任何协调，仅通过在给定感知环境下最大化每个细胞生长速率的个体级生产决策，便涌现出互利的贸易关系。随着我们改变模型的生产参数，我们遇到了三种悖论行为，即直觉上应有益于某种细胞类型的改变实际上却损害了它。(1) 如果一种细胞类型在产生某种代谢物方面比其对应类型更高效，且变得愈发高效，其在种群中的频率反而可能下降。(2) 如果一种细胞类型在产生某种代谢物方面不如其对应类型高效，但变得不那么低效，种群的增长率反而可能下降。(3) 最后，如果一种细胞类型控制其对应类型的生产决策以最大化自身的增长率，其最终实现的增长率可能低于两种细胞类型各自最大化自身增长时的增长率。这三个悖论突显了在简单微生物经济中涌现的复杂且反直觉的动力学。