Stabile ægteskaber mellem mikrober, næringsstoffer kan forklare forskellige, men stabile samfund

En matematisk model skabt af forskere fra University of Illinois kunne hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå en spændende egenskab ved mikrobielle samfund:deres evne til at opnå stabilitet på trods af at de er så forskellige.

Mikrobielle samfund er grupper af mikroorganismer, der findes i en række forskellige miljøer - i jorden, i havene, og i vores kroppe. Selvom disse samfund er komplekse og mangfoldige, de er i stand til at danne stabile økosystemer.

Stabilitet kan defineres som, hvor godt samfundet håndterer forandringer. Stabile samfund er i stand til at modstå en ændring i næringsstofforsyningen eller en invasion af en ny art. Mindre stabile samfund er tilbøjelige til at ændre sig i lyset af disse forstyrrelser.

Sergei Maslov, en Bliss Faculty Scholar, professor i bioteknik, og et fakultetsmedlem i biokompleksitetstemaet ved Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, og Akshit Goyal, en gæsteforsker fra Simons Center for Study of Living Machines ved NCBS, i Bengaluru, Indien, har tidligere samarbejdet om en prædiktiv model til måling af mikrobiel samfundsstabilitet baseret på et økonomisk koncept kaldet "stabilt ægteskabsproblem", som offentliggjort i ISME Journal . De skabte for nylig en matematisk model for yderligere at forstå, hvordan mikrobielle samfund fungerer og opretholder stabilitet.

"Du har hundredvis - hvis ikke tusindvis - af arter, der eksisterer side om side i samme lille volumen, " sagde Maslov. "Det er næsten som en regnskov i miniature."

Deres studie, udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve , blev anerkendt som redaktørens valg i tidsskriftet og ledsaget af en populær APS Focus-artikel.

Deres arbejde omhandler tre signaturaspekter af mikrobielle samfund. Den første er mangfoldighed, mængden af ​​arter, der sameksisterer i samfundet. Det andet er stabilitet, og den tredje er reproducerbarhed, hvilket er, hvor ofte en bestemt art vil være til stede i et samfund.

Maslov sammenligner igen dette aspekt med en regnskov. En regnskov i Sydamerika og en regnskov i Afrika kan se lignende ud, men de indeholder hver især forskellige arter. Det giver mening, at dette er tilfældet - det er usandsynligt for en indfødt art i Afrika at migrere til Sydamerika.

"I mikrobielle samfund, vi kan ikke fremføre dette argument, " sagde Maslov. "Alle mikroberne, ret ofte, transporteres fra et sted til et andet, og alligevel kan du have forskellige sæt af arter i nærliggende pletter af jord."

Deres model anså dette for at forsøge at forstå, hvilke arter der altid er universelt delt i mikrobielle samfund, og hvilke arter der er unikke.

De fandt ud af, at en nøgleingrediens i deres model var en proces kendt som krydsfodring. Mikrober indtager næringsstoffer og udskiller derefter metaboliske biprodukter, som vender tilbage til det fælles rum i det mikrobielle samfund og forbruges af andre mikrober.

"Det, vi ser i vores model, er fremkomsten af ​​flere niveauer af forbrug af et næringsstof, " sagde Maslov. "Nogle mikrober er på øverste niveau, hvor de kan få direkte adgang til det eksternt tilførte næringsstof. Nogle andre mikrober specialiserer sig i, hvad der end er et affaldsprodukt fra denne første mikrobe, og så videre."

Maslov og Goyal ønskede at se, hvor mange niveauer af forbrug der kunne eksistere side om side i et samfund, og fandt ud af, at det afhænger af, hvor hurtigt mikrober vokser - langsom vækst fremmer højere diversitet og et større antal niveauer.

En anden vigtig faktor i samfundets funktionsevne er økosystemets modenhed. Modne økosystemer indeholder flere arter, og disse arter er mere effektive til at udnytte deres ressourcer. De brugte deres model til at karakterisere, hvor meget tid der kræves for at beskrive et samfund som et modent økosystem.

"Vi forsøger at forstå, hvad der gør bestemte stater stabile, og hvor mange sådanne stabile stater er der derude, " sagde Maslov. "Hvad er rækken af ​​forstyrrelser, som en stat kan tolerere, før den ændrer den til noget andet eller kollapser sammen?"

Dette arbejde har konsekvenser for større økosystemer i hele verden.

"Vi ønsker naturligvis at forstå stabilitet ud fra det synspunkt, at vi forstyrrer miljøet på en hidtil uset måde, " sagde Maslov. "Vi vil gerne forstå, hvor langt vi kan skubbe, før alt kollapser."

Hvis videnskabsmænd kan forstå dette bedre, de kan en dag lære at kontrollere mikrobielle økosystemer. For eksempel, et jordmikrobiom kunne måske ændres til en anden tilstand ved at tilføje mikrober eller næringsstoffer. Fordi systemerne er så komplekse og mangfoldige, dette er i øjeblikket umuligt at opnå.

"Det er derfor vores hellige gral, i dette og fremtidige arbejde, er at være i stand til forudsigeligt og pålideligt at kontrollere overgangene i økosystemet fra den tilstand, det er i, til den tilstand, vi ønsker det skal være, " sagde Maslov. "Vi vil gerne være i stand til at gøre det uden faktisk at have noget sammenbrud."