Как разнообразные микробные сообщества сохраняют стабильность
Правительственные коалиции часто распадаются, когда слишком много партий не согласны по слишком многим вопросам. Исследование, проведенное на кафедре физики Университета Бар-Илан, показывает, что этот принцип справедлив и для экосистем, в частности, бактериальных.
В экосистеме разные виды могут негативно влиять друг на друга. И наоборот, виды могут положительно влиять друг на друга. В 1970-х годах известный математик и биолог Роберт Мэй предсказал коллапс коалиций в экосистемах. Согласно Мэю, экосистема может стать нестабильной и рухнуть, если в ней слишком много видов или если сети связей между ними слишком интенсивны. До сих пор теорию Мэя было трудно доказать из-за сложности измерения этих сетей.
В новом исследовании, опубликованном в Nature Ecology & Evolution, Йогев Йонатан и Гай Амит из исследовательской группы доктора Амира Башана (Университет Бар-Илана) в сотрудничестве с доктором Йонатаном Фридманом (Еврейский университет) представили первые доказательства теории Мэя в микробных экосистемах.
Микробиом имеет большое значение для нашего здоровья. Нарушения экологического баланса связаны со многими негативными последствиями для нашего физического и психического благополучия. Вне человеческого тела бактерии играют жизненно важную роль в создании условий жизни для более крупных организмов.
Исследователи разработали новый вычислительный метод, который позволяет оценить уровень связности в экосистеме (меру количества связей в сети и их силы) путем анализа больших объемов данных из различных микробных сообществ без необходимости создания подробной карты всех взаимодействий.
Сначала исследователи протестировали новый метод на смоделированных данных экологической динамики. Затем они проанализировали данные тысяч образцов бактериальных популяций из различных органов человеческого тела и из бактериальных популяций, живущих на морских губках в коралловых рифах в разных точках мира. В каждой экологической среде они сравнили количество различных видов в бактериальной популяции и уровень связности экологической сети и нашли первые доказательства существования принципа стабильности Роберта Мэя в этих системах.
Понимание принципов стабильности бактериальных сообществ важно по двум причинам:
- Принципы стабильности — это правила игры, которые диктуют эволюцию экосистемы в конкретной среде.
- Экосистемы могут рухнуть в результате нарушения экологического баланса вследствие вмешательства человека. Важно оценить, насколько близки эти системы к коллапсу.
Результаты показывают, что количество различных видов бактерий, которые могут сосуществовать в одной и той же экологической среде, ограничено силой взаимодействий между ними. Например, в кишечнике, где для бактерий много пищи и конкуренция за ресурсы менее интенсивна, мы находим десятки или сотни различных типов бактерий. Противоположное происходит в других местах, где конкуренция жесткая, а количество видов невелико.
Понимание принципов стабильности бактериальных популяций особенно важно, когда мы заинтересованы в разработке методов лечения, включающих попытки повлиять, изменить и контролировать их состав.