Липкая капля нектара, прилипшая к кончику клюва колибри, капает на следующий цветок, который посетит птица. С этим тонким изменением микробы в этой капле теперь находятся в новой среде, кишащей другими микробами. Этот небольшой пример видов, вынужденных сосуществовать в реальном мире, помог лаборатории Фуками в Стэнфордском университете понять относительную важность двух теорий ученых о том, как виды могут жить вместе.
Оказывается, что менее популярная теория, имеющая отношение к тому, как организмы реагируют и вносят свой вклад в колебания окружающей среды, вероятно, играет большую роль, чем думали экологи - это согласно исследованию обитающих в нектаре дрожжей Стэнфордский биологический заповедник Джаспер-Ридж. Работа, опубликованная 11 июня в Proceedings of the National Academy of Sciences, может повлиять на то, как ученые моделируют последствия изменения климата для организмов.
«Этот конкретный эксперимент был мотивирован элементарным любопытством к тому, как виды сосуществуют», - сказал Тадаси Фуками, доцент биологии Школы гуманитарных и естественных наук. «Мы экспериментировали с дрожжами, колонизирующими нектар, потому что мы собрали данные о них в дикой природе, такие как визиты колибри, взаимодействие с цветами, влияние ресурсов. Таким образом, мы можем планировать лабораторные эксперименты, которые имеют четкий естественный контекст».
От теории к реальности
Для объяснения того, как виды сосуществуют в различных средах, были предложены два механизма, называемые эффектом накопления и относительной нелинейностью. Эффект накопления утверждает, что виды могут сосуществовать, если они могут накапливать прибыль на неурожайные периоды, и их неурожайные периоды не перекрываются, что означает, что они в основном конкурируют с особями, принадлежащими к их собственному виду, за ресурсы в благоприятные времена. Концепция относительной нелинейности утверждает, что сосуществование может иметь место, когда один вид процветает за счет колебаний ресурсов, другой процветает за счет стабильности ресурсов, и использование ресурсов каждым видом способствует состоянию - колебаниям или стабильности - которое приносит пользу другому.
Эндрю Леттен, старший автор статьи, руководил исследованием в качестве научного сотрудника лаборатории Фуками. Цель состояла в том, чтобы понять относительную важность каждого механизма для сосуществования. Его вдохновила статья эколога-теоретика из Корнельского университета, в которой изложен новый метод количественной оценки эффекта накопления с помощью статистического моделирования.
«Вплоть до этой статьи не существовало реальных способов количественной оценки относительного вклада двух механизмов», - сказал Леттен, который в настоящее время является научным сотрудником Кентерберийского университета в Новой Зеландии. «Когда я прочитал его, у меня буквально закружилась голова, потому что он был так удачно адаптирован к тому, что мы уже делали, но позволил нам продвинуться намного дальше."
Создав тысячи микромиров, в каждом из которых растет один вид нектарных дрожжей, исследователи собрали данные с высоким разрешением о сложных способах, которыми дрожжи реагируют на условия окружающей среды. Затем они использовали эти данные для создания сценариев, в которых дрожжи растут парами, и применили новый метод, чтобы отделить влияние эффекта накопления от влияния относительной нелинейности на сосуществование дрожжей.
«Идея состоит в том, что вы можете математически смоделировать эти механизмы сосуществования, вывести их из симуляций, а затем показать, как эти виды растут без этого механизма», - объяснил По-Джу Кэ, аспирант биологии и соавтор статьи. «Например, относительная нелинейность зависит от колебаний содержания аминокислот в нектаре, основном ресурсе для роста дрожжей, поэтому мы смоделировали стабильный уровень аминокислот, чтобы устранить влияние этого механизма».
Наконец, исследователи сравнили свои смоделированные результаты с результатами экспериментов, в которых два вида выращивались вместе. Эта работа является первой, в которой экспериментально исследуются два механизма в реальных организмах, и она согласуется с моделированием в 83 процентах случаев.
Глядя на их результаты, большим сюрпризом стало то, что были случаи, когда отсутствие относительной нелинейности приводило к вымиранию одного вида. Это противоречит распространенному среди экологов предположению.
«Эффект хранения, возможно, потому, что это более старая концепция, более интуитивная и простая для получения данных, всегда считалась основным механизмом», - сказал Фуками. «Мы обнаружили, что они оба могут быть важны, но главный вывод заключается в том, что относительная нелинейность гораздо важнее, чем предполагало большинство экологов».
Обучение на нескольких уровнях
Клеточная и молекулярная биология часто сосредотачивается на изучении конкретного пути в сложных деталях, тогда как экология имеет тенденцию сосредотачиваться на более крупных системах, изучая их целостно. В своей текущей работе лаборатория Фуками проводит исследования, применимые к обоим уровням.
Как экологи, мы работаем над комплексным пониманием того, как эти дрожжи взаимодействуют - в мире, с опылителями, друг с другом, в нектаре - но мы также можем использовать инструменты, разработанные клеточными биологами для изучения пекарских дрожжей для изучения нектарных дрожжей, чтобы получить более точное представление об экологии», - сказала Калли Чаппелл, аспирант лаборатории Фуками и ведущий автор другой статьи о разработке общей экологической теории с использованием нектарных дрожжей в качестве новых модельных организмов.
В дополнение к фундаментальному пониманию того, как виды могут выживать вместе с ограниченными ресурсами, исследовательская группа надеется, что эксперименты, подробно описанные в текущей работе, заставят экологов пересмотреть то, как изменение климата может повлиять на виды. Изменение климата приведет к увеличению колебаний в окружающей среде, таких как суровые погодные явления, и эта работа показывает, что для прогнозирования судьбы видов в условиях изменения климата необходимо одновременно учитывать несколько механизмов сосуществования видов в меняющихся условиях.