Dalle colonie batteriche una lezione sull’evoluzione: ecco come si espandono le popolazioni in competizione

Un nuovo studio basato su modelli matematici mostra che, quando popolazioni in competizione colonizzano nuovi spazi, una maggiore fitness non basta: contano anche la posizione e la velocità di espansione

Trieste, 3 agosto 2026 – Uno studio pubblicato sul Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment (JSTAT), ispirato al comportamento di colonie batteriche osservato in precedenti esperimenti, utilizza modelli matematici per descrivere l’espansione di popolazioni in competizione. L’obiettivo è capire quali fattori determinino il successo di una popolazione rispetto a un’altra. Secondo lo studio, la fitness – intesa qui come vantaggio riproduttivo – non è l’unico fattore in gioco, né necessariamente quello decisivo: contano anche la velocità di espansione e la posizione occupata lungo il fronte di crescita. Le forme del fronte in espansione previste dal modello assomigliano molto a quelle osservate in precedenti esperimenti su colonie microbiche. Lo studio formula inoltre una nuova previsione: la struttura spaziale lascerebbe una firma misurabile nel modo in cui la fitness è distribuita all’interno di una popolazione, che nuovi esperimenti potrebbero cercare di rilevare.

Equazioni biologiche e fisiche combinate

“Il lavoro è stato ispirato da alcuni esperimenti su colonie batteriche in espansione, nei quali popolazioni inizialmente mescolate finivano per separarsi in settori distinti”, spiega Sergio Eraso, dottorando al MIT e autore dello studio insieme al fisico del MIT Mehran Kardar.

Ad attirare in particolare l’attenzione dei ricercatori è stato il fatto che i confini tra questi settori non si muovevano semplicemente in modo casuale: si spostavano più rapidamente di quanto previsto dalla diffusione ordinaria, seguendo la legge matematica prevista dall’equazione KPZ. Introdotta nel 1986 da Mehran Kardar, Giorgio Parisi e Yi-Cheng Zhang, questa equazione descrive come evolvono nel tempo i fronti di crescita irregolari. Nel 2025 Kardar ha ricevuto la Medaglia Boltzmann per i suoi contributi alla fisica statistica dei sistemi fuori equilibrio, compreso il suo lavoro sulla KPZ.

Per visualizzare ciò che descrive questa equazione, si può immaginare di dare fuoco a un lato di un foglio di carta. Mentre la fiamma avanza, il bordo che brucia non rimane diritto, ma assume una forma irregolare. Qualcosa di simile accade nelle colonie batteriche, dove le cellule non si riproducono tutte nello stesso momento. Questo rende irregolare il fronte di crescita e influenza il movimento dei confini interni.

“In questo lavoro, il modello centrale combina l’equazione KPZ con l’equazione di Fisher, un modello classico della biologia evolutiva che descrive come una popolazione con un vantaggio selettivo si diffonde nello spazio”, continua Eraso.

Vantaggio competitivo e velocità di espansione

Nel modello, Eraso e Kardar distinguono tra vantaggio competitivo, o fitness, e velocità di espansione. Le due proprietà possono essere correlate, ma non coincidono necessariamente: una popolazione può prevalere nella competizione locale e, allo stesso tempo, avanzare più lentamente.

A seconda dell’equilibrio tra questi fattori, il modello produce tre diverse forme del fronte: un rigonfiamento arrotondato, un rigonfiamento composito con lati inclinati oppure una rientranza a V. In quest’ultimo caso, la popolazione competitivamente più forte continua a invadere lateralmente quella rivale, ma rimane arretrata al centro perché si espande più lentamente.

“Può sembrare sorprendente, ma ciò che osserviamo è che una maggiore velocità di espansione non porta necessariamente a un maggiore successo nella colonizzazione di nuovi territori”, spiega Eraso.

Al posto giusto al momento giusto

Lo studio mostra inoltre che una popolazione con una fitness inferiore, che scomparirebbe su un fronte piatto, può persistere se occupa una posizione favorevole, come un picco o una sporgenza. Nel modello, queste posizioni iniziali possono creare nicchie che rimangono a lungo dominate da popolazioni con fitness più bassa.
“Si potrebbe dire che i progenitori si siano trovati nel posto giusto per garantire il successo della propria discendenza – afferma Eraso – Se la stessa popolazione fosse partita da una posizione meno favorevole, il suo svantaggio adattativo avrebbe potuto condurla all’estinzione”.

Somiglianze con gli esperimenti

Quello di Eraso e Kardar è un modello teorico e semplificato, ma produce rigonfiamenti e rientranze molto simili a quelli osservati in precedenti esperimenti su colonie microbiche. “Questo non significa che abbiamo dimostrato che il meccanismo alla base sia esattamente lo stesso, ma mostra che bastano pochi elementi – differenze nella capacità competitiva e nella velocità di espansione – per riprodurre qualitativamente queste forme”, spiega Eraso.

Il passo successivo sarà verificare sperimentalmente in quali condizioni gli stessi meccanismi siano all’opera nelle popolazioni reali. “Abbiamo cercato di individuare il numero minimo di elementi necessari per riprodurre queste forme – conclude Eraso – Ora gli esperimenti potranno verificare fino a che punto gli stessi meccanismi siano all’opera nelle popolazioni reali”.

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