Математическая модель, созданная исследователями Университета Иллинойса, может помочь ученым лучше понять интригующую характеристику микробных сообществ: их способность достигать стабильности, несмотря на такое разнообразие.
Микробные сообщества - это группы микроорганизмов, которые существуют в самых разных средах - в почве, в океанах и в наших телах. Хотя эти сообщества сложны и разнообразны, они способны образовывать стабильные экосистемы.
Стабильность можно определить как то, насколько хорошо сообщество справляется с изменениями. Стабильные сообщества способны противостоять изменениям в снабжении питательными веществами или вторжению новых видов. Менее стабильные сообщества склонны меняться перед лицом этих потрясений.
Сергей Маслов, научный сотрудник факультета Блисс, профессор биоинженерии и преподаватель темы биосложности в Институте геномной биологии им. Карла Р. Вёзе, и Акшит Гоял, приглашенный научный сотрудник Центра исследований Саймонса из Living Machines в NCBS в Бангалоре, Индия, ранее сотрудничали над прогностической моделью для измерения стабильности микробного сообщества, основанной на экономической концепции под названием «проблема стабильного брака», опубликованной в журнале ISME. Недавно они создали математическую модель, чтобы лучше понять, как микробные сообщества функционируют и поддерживают стабильность.
«У вас есть сотни, если не тысячи, видов, сосуществующих в одном и том же небольшом объеме», - сказал Маслов. «Это почти как тропический лес в миниатюре».
Их исследование, опубликованное в Physical Review Letters, было признано выбором редактора журнала и сопровождалось популярной статьей APS Focus.
Их работа посвящена трем характерным аспектам микробных сообществ. Во-первых, это разнообразие, количество видов, сосуществующих в сообществе. Второе - стабильность, а третье - воспроизводимость, т. е. частота присутствия определенного вида в сообществе.
Маслов снова сравнивает этот аспект с тропическим лесом. Тропический лес в Южной Америке и тропический лес в Африке могут показаться похожими, но каждый из них содержит разные виды. В этом есть смысл - маловероятно, что местный вид из Африки мигрирует в Южную Америку.
«В микробных сообществах мы не можем привести этот аргумент», - сказал Маслов. «Все микробы довольно часто переносятся из одного места в другое, и все же вы можете иметь разные наборы видов на близлежащих участках почвы».
Их модель учитывала это, чтобы попытаться понять, какие виды всегда широко распространены в микробных сообществах, а какие виды уникальны.
Они обнаружили, что ключевым компонентом их модели был процесс, известный как перекрестное кормление. Микробы потребляют питательные вещества, а затем выделяют побочные продукты метаболизма, которые возвращаются в общее пространство микробного сообщества и потребляются другими микробами.
«То, что мы видим в нашей модели, - это появление нескольких уровней потребления питательного вещества», - сказал Маслов. «Некоторые микробы находятся на верхнем уровне, где они могут напрямую получить доступ к питательным веществам извне. Некоторые другие микробы специализируются на том, что является продуктом жизнедеятельности этого первого микроба, и так далее».
Маслов и Гоял хотели посмотреть, сколько уровней потребления может сосуществовать в сообществе, и обнаружили, что это зависит от того, насколько быстро растут микробы - медленный рост способствует большему разнообразию и большему количеству уровней.
Другим важным фактором способности сообщества функционировать является зрелость экосистемы. Зрелые экосистемы содержат больше видов, и эти виды более эффективно используют свои ресурсы. Они использовали свою модель, чтобы определить, сколько времени требуется для описания сообщества как зрелой экосистемы.
«Мы пытаемся понять, что делает те или иные состояния устойчивыми, и сколько существует таких стабильных состояний», - сказал Маслов. «Каков диапазон возмущений, которые может выдержать государство, прежде чем изменить его на что-то другое или рухнуть вместе?»
Эта работа имеет значение для более крупных экосистем по всему миру.
«Очевидно, что мы хотим понимать стабильность с точки зрения того, что мы возмущаем окружающую среду беспрецедентным образом», - сказал Маслов. «Мы хотим понять, как далеко мы можем зайти, прежде чем все рухнет».
Если ученые смогут понять это лучше, однажды они смогут научиться контролировать микробные экосистемы. Например, почвенный микробиом, возможно, может быть переведен в другое состояние путем добавления микробов или питательных веществ. Поскольку системы настолько сложны и разнообразны, в настоящее время этого достичь невозможно.
«Вот почему наш святой Грааль в этой и будущей работе - иметь возможность предсказуемо и надежно контролировать переходы экосистемы из состояния, в котором она находится, в состояние, в котором мы хотим ее видеть», - сказал Маслов.. «Мы хотим иметь возможность сделать это без какого-либо коллапса».