При конкуренции за ограниченные ресурсы структура в окружающей среде может быть разницей между сосуществованием видов или уничтожением одним видом другого. Согласно новому исследованию, отношения между видами также важны.
Ученые подозревают, что существует глубокая связь между биоразнообразием и физической структурой окружающей среды, но установить эту связь не удается.
Теперь два исследователя из Орегонского университета раскрыли часть этой взаимосвязи, обработав математически богатые формулы в тысячах суперкомпьютерных симуляций в различных сценариях. Они сосредоточились на влиянии физических структур, таких как упакованные частицы в почве и эпителиальные клетки в кишечнике млекопитающих, на выживание организмов, живущих в этих средах.
Их выводы из статьи, опубликованной в выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences от 8 января.
Достижение ставит на прочную основу физические условия, которые способствуют широкому спектру биоразнообразия, наблюдаемого в природе, и показывает возможный путь обхода конкурентного исключения. В будущем эти результаты могут помочь в разработке устройств, в том числе медицинских имплантатов, сказал соавтор Тристан Урселл, профессор физики и член Института молекулярной биологии и материаловедения UO..
Конкурентное исключение утверждает, что два вида, борющихся за одни и те же ресурсы, не могут стабильно сосуществовать в экосистеме, если они не используют разные характеристики или стратегии для снижения конкуренции. Эта концепция была введена в 1932 году советским биологом Георгием Гаузе и часто называется законом Гаузе.
«Это исследование посвящено давнему вопросу, - сказал Урселл. «Если, с одной стороны, конкурентное исключение подталкивает систему к тому, чтобы иметь один доминирующий вид, то почему в некоторых средах тысячи видов сосуществуют в ограниченной среде? Мы предлагаем возможное объяснение, согласно которому именно структура среды позволяет это правда."
Выводы и продолжающиеся исследования могут привести к новым принципам дизайна, сказал он.
«Допустим, вы хотите построить устройство, в котором группы разных видов микробов будут жить вместе. Наша работа предполагает, что один из способов сделать это - разработать вариации физической структуры, которые стабилизируют сосуществование этих видов», - сказал Урселл.. «Например, вам могут понадобиться конкуренты с одинаковым составом. В этом вам могут помочь структурные модификации окружающей среды. С таким устройством вы можете подтолкнуть экологию системы в нужном направлении».
Одной из возможностей может быть имплантат, который структурно разработан для взаимодействия с микробиомом кишечника человека и обеспечения здорового и стабильного баланса микробов, сказал Урселл, который является членом Центра системной биологии META UO, где ученые стремятся понять системы хозяин-микроб и их роль в здоровье человека.
Компьютерное моделирование было основано на так называемом моделировании Лотка-Вольтерра, давно используемом в экологических исследованиях для изучения взаимоотношений хищник-жертва. Однако в данном случае Урселл и его соавтор Ник Лоури, научный сотрудник Института молекулярной биологии с докторской степенью, провели тысячи симуляций, изменяя структуру физической среды в каждой симуляции, а затем измерили стабильность экосистемы во времени.
Это позволило им исследовать взаимосвязь между динамикой популяции и пространственными структурами, которые встречаются в естественных условиях, таких как почвы или кишечник млекопитающих. Как в двух-, так и в трехвидовых системах структуры окружающей среды изменяли конкурентную динамику, но по-разному. Во-первых, они изучили два конкурирующих вида и обнаружили, что структура локализовала взаимодействия, так что сосуществование было стабильным во времени.
Такого рода изменения в конкурентной среде, по его словам, мало чем отличаются от того, как военные форты в старые времена эффективно изменяли интерфейс конфликта и позволяли двум конкурирующим группам сосуществовать, пока форт оставался стоять.
«Существует взаимосвязь между конкурентоспособностью видов и физическими структурами в данной среде», - сказал Урселл. «Когда конкуренция между видами несбалансирована, структура имеет большое значение для обеспечения стабильности. Структура имеет значение, и она не была охарактеризована».
В другом сценарии они рассматривали три вида, соревнующихся по правилам детской игры «камень-ножницы-бумага». Там структура имела дестабилизирующий эффект, приводя к одному доминирующему виду. Рассмотрим, сказал он, сценарий, в котором вид А может атаковать и убить вид В, но вид В не может атаковать А. Вид B может убить вид C, который, в свою очередь, может атаковать и убить вид A. В отсутствие пространственной структуры возникает цикл, позволяющий выжить всем видам.
Однако изменение этой системы путем введения пространственной структуры, по его словам, неожиданно нарушило этот циклический паттерн и дестабилизировало всю систему.
Вместе эти результаты убедительно свидетельствуют о том, что физическая структура окружающей среды может в значительной степени взаимодействовать со спецификой межвидовых взаимодействий внутри местных сообществ, влияя на стабильность и динамику, и в более общем плане указывают на то, что физические атрибуты окружающей среды должны быть изменены. учитывать при оценке стабильности местных сообществ», - заключили Урселл и Лоури в своей статье.
Исследование, добавили они, помогает понять различные силы, которые действуют на микробные сообщества в сложных условиях.