Fyzici vyvinuli způsob jak určit, zda nový druh napadne ekosystém

Když je do ekosystému zavlečen nový druh, zpravidla se nabízí dvě cesty. Buďto se mu podaří v novém prostředí prosadit, nebo se to nepodaří a vymře. Fyzici z MIT přišli se vzorcem, který dokáže předpovědět, který výsledek je pro začlenění nejpravděpodobnější.

Vzorec vědci vytvořili na základě analýzy stovek různých scénářů, které modelovali pomocí populací půdních bakterií pěstovaných v laboratoři. Svůj vzorec nyní plánují otestovat ve větších ekosystémech, včetně lesů.

Snaha rozluštit všechny faktory, které ovlivňují chování komplexních ekologických komunit, může být skličující úkol. Vědci z MIT však nyní prokázali, že chování těchto ekosystémů lze předvídat na základě pouhých dvou informací: počtu druhů ve společenství a toho, jak silně se vzájemně ovlivňují.

Kolísání bakteriální populace

Hlavním autorem článku, který vyšel v časopise Nature Ecology and Evolution (Ekologie přírody a Evoluce), je profesor fyziky na MIT Jeff Gore. Matthieu Barbier, výzkumný pracovník z Institutu zdraví rostlin v Montpellier a Guy Bunin, profesor fyziky.

Nově navržený přístup by mohl být také užitečný při předpovídání úspěšného boje proti infekcím lidského trávicího traktu po nasazení probiotik.

Goreova laboratoř se specializuje na využití mikrobů k analýze mezidruhových interakcí kontrolovaným způsobem v naději, že se dozví více o tom, jak se chovají přírodní ekosystémy.

V této studii chtěli vědci prozkoumat, co rozhoduje o tom, zda invaze nového druhu bude úspěšná, nebo neúspěšná. V přírodních společenstvech ekologové předpokládali, že čím je ekosystém rozmanitější, tím více odolá invazi, protože většina ekologických nik již bude obsazena a pro vetřelce zbude jen málo zdrojů.

„Lidé jedí spoustu probiotik, ale mnohá z nich vůbec neproniknou do našeho střevního mikrobiomu. Nemusí to ale nutně znamenat, že mohou růst a kolonizovat. Takže neprospívají vašemu zdraví,“ říká Jiliang Hu SM, PhD., hlavní autor studie.

Vědci však v přírodních i experimentálních systémech zjistili, že toto tvrzení není trvale pravdivé. Zatímco některé vysoce různorodé populace jsou vůči invazi odolné, jiné vysoce různorodé populace jsou invazí spíše ohrožené.

Aby vědci prozkoumali, proč může dojít k oběma těmto výsledkům, založili více než 400 vzorků společenstev půdních bakterií, které byly v půdě v okolí MIT původní. Výzkumníci založili společenstva 12 až 20 druhů bakterií. Po šesti dnech přidali jeden náhodně vybraný druh jako útočníka. Dvanáctý den experimentu sekvenovali genomy všech bakterií, aby zjistili, zda se vetřelec v ekosystému usadil.

V každé komunitě vědci také v kultivačním médiu, na kterém byly bakterie pěstované, měnili množství živin. Při vysokých hladinách živin mikrobi vykazovali silné interakce, které vykazovaly zvýšenou konkurenci při boji p potravu a další zdroje, nebo vzájemnou inhibici prostřednictvím mechanismů, jako je křížový toxinový efekt ovlivňující pH. Některé z
těchto populací tvořily stabilní stavy, v nichž se podíl jednotlivých mikrobů v čase příliš neměnil, zatímco jiné tvořily společenstva, v nichž většina druhů počtem kolísala.

Faktor ovlivňující invazi

Vědci zjistili, že tyto výkyvy byly nejdůležitějším faktorem ovlivňujícím výsledek invaze. Společenstva, která vykazovala větší fluktuace, byla zpravidla rozmanitější, ale také u nich byla větší pravděpodobnost úspěšné invaze.

„Fluktuace není způsobena změnami v prostředí, ale změnou způsobenou interakcí druhů. Zjistili jsme, že fluktuující společenstva jsou snadněji napadnutelná,“ říká Hu.

V některých populacích, kde se usadil vetřelec, ostatní druhy zůstaly, ale v menším počtu. V jiných populacích byly některé z rezidentních druhů vytlačené a zcela vymizely. K tomuto vytlačování docházelo častěji v ekosystémech, kde byly silnější konkurenční interakce mezi druhy.

V ekosystémech, které měly stabilnější, ale méně rozmanité populace se silnějšími interakcemi mezi druhy, invaze spíše selhávaly.

Bez ohledu na to, zda bylo společenstvo stabilní nebo kolísavé, vědci zjistili, že podíl původních druhů, které ve společenstvu přežily před invazí, předpovídá pravděpodobnost úspěchu invaze. Tento „podíl přeživších“ lze v přírodních společenstvech odhadnout pomocí poměru diverzity v rámci lokálního společenstva (měřené počtem druhů v dané
oblasti) k regionální diverzitě (počet druhů vyskytujících se v celé oblasti).

Předpovídání úspěchu

Výzkumníci také zjistili, že za určitých okolností hrálo pořadí, v jakém se druhy do ekosystému dostaly, roli v tom, zda byla invaze úspěšná. Pokud byly interakce mezi druhy silné, šance na úspěšné začlenění druhu se snížila, pokud byl tento druh zavlečen až poté, co se ostatní druhy již usadily.

Když jsou interakce slabé, tento „efekt priority“ mizí a je dosaženo stejné stabilní rovnováhy bez ohledu na to, v jakém pořadí mikrobi dorazili.

Výzkumníci se nyní pokusí zopakovat svá zjištění v ekosystémech, pro které jsou k dispozici údaje o druhové rozmanitosti, včetně lidského střevního mikrobiomu.

Jejich vzorec by mohl umožnit předpovědět úspěšnost probiotické léčby, při níž se prospěšné bakterie konzumují perorálně, nebo FMT, experimentální léčby závažných infekcí, jako je C. difficile, při níž se do tlustého střeva pacienta transplantují prospěšné bakterie ze stolice dárce.

Zdroje: Massachusettský technologický institut