De paradox van de slaaptoestand: waarom slapen als je zou kunnen eten?
Waarom legt zoöplankton, dierlijk plankton dat zich voedt met onder meer algen, eieren die in een slaaptoestand verkeren? Die eieren zijn weliswaar erg gehard, maar het duurt lang voor ze uitkomen en het kost veel om ze aan te maken. Een nieuwe studie heeft daar nu een antwoord op gevonden en het heeft te maken met overpredatie en overconsumptie.
Het traditionele antwoord op de vraag is dat deze geharde eieren de populatie toelaten moeilijke omstandigheden te overleven zoals een koude winter of droogte. Dat verklaart echter niet waarom dierlijk plankton dergelijke eieren ook legt in habitats zonder seizoenen, zoals tropische meren.
De onderzoekers onder leiding van assistent-professor Kang Hao Cheong van de Singapore University of Technology and Design ontdekten in samenwerking met de Amerikaanse bioloog Eugene V. Koonin, senior onderzoekers bij het National Center for Biotechnology Information een andere verklaring: de slaaptoestand is een natuurlijk antwoord op overpredatie, het teveel opeten van natuurlijke hulpbronnen.
In leefmilieus die geen seizoenen kennen, groeien de prooi-organismen, zoals bijvoorbeeld algen in een meer, aan tot zeer grote populaties. Dat brengt hun predatoren, zoals zoöplankton, ertoe hen tegen een hoge snelheid te consumeren en zelf ook sterk in aantal te groeien. Uiteindelijk leidt dat tot overconsumptie. Als de algenpopulatie daardoor instort, blijft er slechts weinig eten over voor de grote hoeveelheid zoöplankton, en dat begint te verhongeren en te sterven.
Het is tijdens een periode van voedselschaarste dat de slaaptoestand zin heeft. Als een zoöplankton op voorhand geharde, traag uitkomende eieren in slaaptoestand gelegd heeft, is het waarschijnlijk dat die eieren zullen uitkomen nadat de populatie van prooi-organismen zich hersteld heeft, wat de nakomelingen toelaat te overleven en zich voort te planten.
Als het zoöplankton enkel gewone, snel uitkomende eieren zou gelegd hebben, zouden die waarschijnlijk uitkomen in het midden van de hongersnood en niet veel bijdragen aan het herstel van de populatie van zoöplankton. Uiteindelijk zal zo enkel dierlijk plankton dat slapende eieren legt, de populatie domineren.
Paradox van Parrondo
De onderzoekers werden geïnspireerd bij hun zoektocht naar de verklaring door een fenomeen dat de paradox van Parrando genoemd wordt. Die paradox stelt dat het mogelijk is af te wisselen tussen een paar verliezende strategieën, zoals verliezende inzetten in een gokspel, en toch uiteindelijk als winnaar uit de bus te komen. Als er voldoende voedsel is, dan is het leggen van eieren in slaaptoestand op een gelijkaardige manier paradoxaal, zo beseften de onderzoekers.
"Waarom extra energie besteden aan het leggen van slapende eieren, als je concurrenten energie besparen door gewone eieren te leggen? En waarom investeren in eieren die er langer over doen om uit te komen, als je concurrenten eieren leggen die sneller zullen uitkomen en snel uit zullen groeien tot volwassen exemplaren? Dat was wat we moesten verklaren", zei Zhi-Xuan Tan, de belangrijkste auteur van de nieuwe studie. "Net zoals in de paradox van Parrondo, hadden we hier een paar verliezende strategieën: de strategie van het leggen van slapende eieren, en de strategie van het in slaaptoestand blijven als ei in plaats van uit te komen."
Zoals de onderzoekers ontdekten, verzekert het afwisselen tussen die twee verliezende strategieën het overleven tegen de voedseltekorten die veroorzaakt zijn door overpredatie.
De implicaties van de studie zouden verder kunnen gaan dan enkel de verklaring waarom roofdieren slapende eieren leggen. "Een van de eerste toepassingen van de paradox van Parrondo was het verklaren van een biologisch proces: hoe moleculaire motoren in onze spieren een aanhoudende richtingsbeweging konden produceren", zei Kang Gao Cheong, de leider van het onderzoek. "We denken dat de paradox van Parrondo voor de biologie nog meer relevantie zou kunnen hebben."
Zo suggereren de onderzoekers dat de paradox van Parrondo ook zou kunnen verklaren waarom virussen die bacteriën infecteren, afwisselen tussen een slapende lysogene fase, waarin de virussen hun DNA in het genoom van de bacterie invoegen, en een actieve en besmettelijke lytische fase, die dodelijk is voor de bacteriën.
"Als we nog verder gaan, zouden we misschien zelfs in staat zijn de evolutie van meercellig leven te verklaren", zei Cheong. "Hoe zijn eencellige organismen begonnen met voldoende samen te werken om meercellige organismen te vormen, als vals spelen en profiteren van andere cellen vaak betere resultaten kon opleveren? Aangezien samenwerking in deze context een verliezende strategie is, vermoeden we dat de paradox van Parrondo op een zekere dag wel eens een aantal antwoorden zou kunnen opleveren."
De studie van de onderzoekers uit Singapore en de VS is gepubliceerd in Advanced Science. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de Singapore University of Technology and Design.