Один разрушительный фактор редко проявляется сам по себе. Обычно ряд из них, таких как экстремальные климатические условия, экологический стресс или присутствие вредителей, действуют вместе, вызывая сложные изменения в экологических системах. Однако в научных исследованиях отдельные нарушения и их воздействие на растения, животных или бактерии часто рассматриваются изолированно. «Еще одна проблема - это «или». Если, например, исследуются только растения, то как прямое, так и косвенное влияние на пищевую сеть игнорируется, тогда как оно может быть действительно очень серьезным», - говорит доктор Антонис Чацинотас, микробиолог-эколог из UFZ, который руководил исследованием.
Чтобы лучше понять сложные эффекты, которые нарушения оказывают на экологические системы, исследователи разработали простую экосистему в форме микробной пищевой сети. Преимущество этого заключается в том, что микробы быстро растут, имеют короткое время генерации, их легко контролировать, а нарушения легко моделировать экспериментально. Модельная экосистема состояла из питательной среды (питательные вещества), четырех различных штаммов бактерий (жертвы) и инфузории (хищник), питающейся бактериями. Эти мини-экосистемы подвергались различным нарушениям в различных экспериментальных условиях. Одно нарушение принимало форму разных разведений, что приводило к уменьшению числа особей. «Разбавления имитировали возмущения разной силы, которые происходили либо сильно и внезапно, либо стабильно с низкой интенсивностью», - объясняет Канан Каракоч, докторант UFZ и ведущий автор исследования. Другим типом беспокойства была нехватка еды. Здесь, в одном случае, питание бактерий резко прекращалось, а в другом - постепенно. Затем группа исследователей изучила, какое влияние оказал тип нарушения на количество бактерий, и как и изменились ли в результате сообщества бактерий. Это также включало изучение влияния присутствия или отсутствия хищников.
В экспериментах, проведенных без хищников, возмущения влияли на бактерии лишь незначительно, и система быстро восстанавливалась после событий возмущения. Напротив, модельная экосистема с присутствием инфузорий чутко реагировала на нарушения. «Сначала это привело к резкому сокращению численности инфузорий. В результате позже выиграли бактерии, так как меньшее количество хищников означало снижение давления хищников. больше, чем раньше», - говорит Каракоч. Изменилась и относительная численность бактериального сообщества. Во-первых, хорошо росли, в частности, те бактерии, которые либо могли обходиться небольшим количеством оставшихся питательных веществ, либо обычно являются предпочтительной пищей хищников. «В переводе на естественную экосистему развитие такого рода может означать, что, например, вредители внезапно размножатся после нарушения, если их не сдерживают хищники», - говорит Чацинотас. «Подобные трофические взаимодействия чрезвычайно важны для функционирования экологической системы, и поэтому их следует все больше учитывать в будущих исследованиях».
Важны не только взаимодействия внутри пищевой сети: важен и фактор времени. Чтобы определить, какие эффекты являются долгосрочными, а какие краткосрочными, исследователи изучили различные экспериментальные процедуры в периоды до, во время и после событий возмущения в каждом случае. Это показало, что численность бактерий быстро восстанавливалась после нарушения, тогда как изменение бактериального сообщества обычно было длительным процессом.«Стабильность и восстановление после возмущений также являются важными темами», - говорит Каракоч. «Поэтому важно делать эти наблюдения в контексте временных рядов». В полевых исследованиях временные ряды могут быть реализованы только с большим уровнем усилий. Преимущество микробных систем заключается в том, что они могут решать экологические проблемы в небольших масштабах и относительно быстро. «Результаты нашего исследования, конечно, не могут быть просто перенесены один на один в реальные экосистемы», - говорит Чацинотас. «Однако они показывают сложный способ, которым даже самые простые экосистемы реагируют на нарушения, и помогают выявить фундаментальные механизмы, которые следует все чаще принимать во внимание на фоне глобальных изменений в исследованиях экосистем». В будущих исследованиях исследователи из UFZ будут постепенно увеличивать сложность моделей экосистем и расширять их с точки зрения предоставляемых микробных услуг, таких как разложение токсичных веществ.