Hvordan forskellige mikrobielle samfund forbliver stabile

Regeringskoalitioner opløses ofte, når for mange partier er uenige om for mange spørgsmål. Selvom en koalition synes stabil i nogen tid, kan en lille krise forårsage en kædereaktion, der til sidst får systemet til at kollapse. En undersøgelse udført i Institut for Fysik ved Bar-Ilan University viser, at dette princip også gælder for økosystemer, især bakterielle økosystemer.

I et økosystem kan forskellige arter have en negativ effekt på hinanden. Geparden, for eksempel, jager zebraen, og træer i junglen konkurrerer med hinanden om sollys. Omvendt kan arter positivt påvirke hinanden, ligesom bien, der bestøver blomster. I 1970'erne forudsagde den anerkendte matematiker og biolog Robert May kollapset af koalitioner i økosystemer, såsom træer i regnskove, dyr på savanner eller fisk i koralrev. Ifølge May kan et økosystem blive ustabilt og kollapse, hvis det indeholder for mange arter, eller hvis netværkene af forbindelser mellem dem er for intense. Med andre ord er små økosystemer i naturen ifølge Mays teori generelt kendetegnet ved stærke bindinger, mens store systemer er kendetegnet ved svage bindinger. Indtil nu har Mays teori været svær at bevise på grund af vanskeligheden ved at måle disse netværk.

I den nye undersøgelse, offentliggjort i Nature Ecology &Evolution , Yogev Yonatan og Guy Amit fra forskergruppen af ​​Dr. Amir Bashan fra Bar-Ilan University's Department of Physics, i samarbejde med Dr. Yonatan Friedman fra det hebraiske universitet, demonstrerede det første bevis på Mays teori i mikrobielle økosystemer.

Mikrobiomet har stor betydning for vores sundhed – såsom fordøjelse og optagelse af næringsstoffer og træning af vores immunsystem. Forstyrrelser i den økologiske balance er forbundet med mange uheldige effekter på vores fysiske og psykiske velbefindende, lige fra overvægt til psykiske og forskellige psykiatriske tilstande og risiko for kroniske sygdomme som diabetes og kræft. Nogle indgreb er blevet indført for at opretholde en sund balance, herunder kostelementer, probiotikaindtag, antibiotika og fækal transplantation. Uden for menneskekroppen spiller bakterier en afgørende rolle i at skabe levevilkårene for større organismer. De er nødvendige for næringsstofnedbrydning, regulering af produktion og nedbrydning af gasser i atmosfæren, herunder drivhusgasser, metan, kuldioxid og meget mere.

Forskerne udviklede en ny beregningsmetode, der gør det muligt at estimere niveauet af forbindelse i økosystemet (et mål for antallet af forbindelser i netværket og deres styrke) ved at analysere store mængder data fra en række forskellige mikrobielle samfund uden at skulle skabe et detaljeret kort over alle vekselvirkningerne - analogt med hvordan temperaturen på et glas vand kan måles uden fuldstændig viden om hastigheden og positionen af ​​hvert vandmolekyle.

I første omgang testede forskerne den nye metode på simulerede data om økologisk dynamik. Senere analyserede de data fra tusindvis af prøver af bakteriepopulationer fra forskellige organer i menneskekroppen og fra bakteriepopulationer, der lever på marine svampe i koralrev på forskellige steder rundt om i verden. I hvert økologisk miljø sammenlignede de antallet af forskellige arter i bakteriepopulationen og niveauet af tilslutning af det økologiske netværk og fandt indledende beviser for eksistensen af ​​Robert Mays princip om stabilitet i disse systemer.

At forstå stabilitetsprincipperne for bakteriesamfund er vigtigt af to grunde. Stabilitetsprincipper er spillereglerne, der dikterer udviklingen af ​​økosystemet i et bestemt miljø og hjælper med at besvare videnskabelige spørgsmål, såsom hvorfor forskellige bakteriepopulationer udvikler sig forskellige steder, eller hvorfor antallet af arter er forskelligt mellem steder. En anden grund er, at økosystemer kan kollapse som følge af forstyrrelse af den økologiske balance efter menneskelig indgriben. Det gælder for koralrev i Australien og regnskove i Brasilien, og det gælder også for bakteriepopulationer i mennesker og i miljøet. Det er vigtigt at vurdere, hvor tæt disse systemer er på at kollapse, så vi ved, hvordan vi undgår at beskadige dem, og hvordan de kan rehabiliteres.

Resultaterne viser, at antallet af forskellige arter af bakterier, der kan overleve i det samme økologiske miljø, er begrænset af styrken af ​​vekselvirkningerne mellem dem. For eksempel i tarmen, hvor der er en overflod af mad til bakterier og mindre intens konkurrence om ressourcer, finder vi snesevis til hundredvis af forskellige typer bakterier. Det modsatte sker andre steder, hvor konkurrencen er hård, og antallet af arter er lille. At forstå stabilitetsprincipperne for bakteriepopulationer er især vigtigt, når vi er interesserede i at udvikle behandlinger, der omfatter forsøg på at påvirke, ændre og kontrollere deres sammensætning. Derfor er forståelsen af ​​de økologiske love, der styrer bakteriepopulationerne i mennesket og verden, meget vigtig både for udviklingen af ​​medicinske behandlinger og for bevarelsen af ​​miljøet.

Emnet for denne forskning, som generelt studeres af biovidenskabelige forskere, er et eksempel på en stigende tendens i de senere år til multidisciplinær forskning, hvor komplekse problemer udforskes af eksperter fra forskellige discipliner. I denne undersøgelse brugte fysikere værktøjer fra områderne statistisk fysik, ikke-lineær dynamik, netværksvidenskab og datavidenskab til at studere problemer karakteriseret ved store mængder data, hvoraf netværk i bakteriepopulationer eller forskellige menneskelige interaktioner kun er en del.