Микробы могут производить многие метаболические ресурсы, необходимые им для выживания. Но поскольку у них проницаемые клеточные стенки, эти ресурсы могут просачиваться в окружающую среду. Поскольку микробы часто живут в сообществах со многими другими типами микробов, они также могут использовать метаболические ресурсы, которые утекли у других микробов. И они могут реагировать на окружающую среду, изменяя то, что и в каком количестве они производят сами. В каком-то смысле этот обмен товарами является своего рода экономикой, но мы, люди, плохо ее понимаем.
В новой статье в Nature Communications трое исследователей из Института Санта-Фе описывают три парадоксальных динамики, которые могут возникать в простых микробных экономиках. В статье рассматривается только один тип сценария: модель самодостаточности, в которой два типа микробов производят товары, которые ценны как для них самих, так и для других.
Первый парадокс - это «проклятие повышенной эффективности». Это происходит, когда Организм А гораздо более эффективен в производстве определенного метаболита, чем Организм Б. Таким образом, у Организма Б нет стимула производить этот метаболит, поэтому он останавливается. Следовательно, Организм B может воспроизводиться быстрее, а это означает, что более эффективный производитель, Организм A, в конечном итоге составляет меньший размер популяции.
Второй парадокс - это «проклятие пониженной неэффективности». Организмы могут становиться лучше в производстве товаров, и тогда вся популяция растет медленнее.
«Это происходит потому, что это приводит к отсутствию специализации, в результате чего организм производит оба товара», - говорит Эрик Либби, научный сотрудник Института Санта-Фе Омидьяр и соавтор исследования. «Сообщество в целом становится менее эффективным и растет медленнее».
Первые два парадокса предполагают, что два типа клеток принимают свои собственные метаболические решения независимо друг от друга. Третий - в значительной степени теоретическое «проклятие контроля» - предполагает, что один микроб может манипулировать другим, заставляя его следовать определенной стратегии. Манипулятор может сначала увеличить свою долю в общей популяции, но в конечном итоге понесет долгосрочные потери. «В зависимости от продолжительности ассоциации может оказаться выгоднее конкурировать с другим микробом, чем эксплуатировать его», - пишут авторы.
Понимание парадоксов микробной экономики может быть важно для приближения к инженерным микробным сообществам и лучшего понимания микробиомов. При первом взгляде на эти системы может показаться очевидным, какие микробы больше всего выиграют от определенных стратегий жизни в этих метаболических экономиках. Но внешность, оказывается, может обмануть.