Понимание механизмов, определяющих изменения в структуре и составе природных сообществ в больших пространственных и временных масштабах, имеет решающее значение, учитывая воздействие деятельности человека на биоразнообразие и экосистемные функции.
Относительная важность стохастических и детерминированных процессов, способствующих формированию сообществ, может меняться во времени и пространстве: условия окружающей среды, рассеяние, демографическая стохастичность, экологические взаимодействия и эволюционные процессы могут оказывать влияние на структуру природных сообществ в различных масштабах. Понимание того, как антропогенные изменения окружающей среды влияют на экологические и эволюционные механизмы, определяющие состав сообществ, является постоянной задачей, особенно у водных микробов, рассеивание которых не имеет границ.
Исследования экологических механизмов в сообществах цианобактерий озера были недостаточными из-за отсутствия данных в соответствующем пространственном и временном масштабе, несмотря на важность, которую эти организмы приобрели за последние десятилетия для функционирования и обслуживания пресноводных экосистемх.
За последнее столетие частота и интенсивность цветения цианобактерий возросла в озерах и водохранилищах во всем мире, несмотря на меры по восстановлению, принятые на региональном и международном масштабе. В цветении цианобактерий часто доминируют токсичные виды, и существует глобальная обеспокоенность тем, что изменения окружающей среды способствуют географическому расширению некоторых потенциально вредных таксонов в результате совокупного воздействия повышения температуры и нагрузки питательных веществ. Токсичные виды, такие как Dolichospermum lemmermannii и Planktothrix rubescens, действительно расширили свое географическое распространение, что подтверждает мысль о распространении некоторых вредных цианобактерий на умеренных озерах. Роль географического рассредоточения (когда расстояние ограничивает создание новых таксонов) относительно оборота таксонов, обусловленного градиентами окружающей среды, не была четко изучена при сборке этих микроорганизмов, имеющих глобальное значение.
В исследовании ученые проанализировали данные о составе цианобактериальных сообществ, охватывающих 10 озер. Они использовали 16S последовательности рДНК из донных отложений европейских периальпийских озер, подвергшихся направленному изменению, характеризующемуся потеплением и эвтрофикацией климата.
В предыдущей работе были изучены закономерности долгосрочных изменений альфа- и бета-разнообразия в сообществах цианобактерий озера, показавшие гомогенизацию состава сообществ в региональном масштабе.
Целью исследования было тестирование наличие возникающих детерминированных (обусловленных средой) и стохастических (обусловленных дисперсией) паттернов в филогенетической структуре цианобактериальных сообществ через эти разные озера одного и того же региона, используя один и тот же набор данных.
Ученые использовали нулевую модель, учитывающую временные изменения в размере видового пула, для моделирования случайной сборки. Затем проверили на отклонение от случайных моделей, таких как филогенетическая кластеризация и чрезмерная дисперсия: тенденция к тому, что таксоны будут иметь место с большей или меньшей ожидаемой продолжительностью, соответственно, чем прогнозируется нулевой моделью. В большинстве случаев сборки, управляемые рассеянием, будут генерировать случайные схемы совмещения таксонов, в то время как экологические факторы приведут к отклонению от случайного сборки. Могут иметь место взаимодействия между механизмами сборки, которые порождают исключения из этих прогнозов. Однако ученые ожидают, что сравнение филогенетических структур с нулевыми моделями в сочетании с моделями филогенетического сходства сообществ на озерах и пространственной или экологической удаленности позволит проверить детерминированные и стохастические сигнатуры в цианобактериальных сообществах.
В частности, когда рассеивание цианобактериальных таксонов среди озер не ограничено, ожидается, что сходство филогенетического сообщества будет уменьшаться по градиенту окружающей среды, тогда как изменения не ожидается, когда система движется только за счет рассеивания. Если существуют барьеры для рассеивания цианобактерий, ученые прогнозируют различия в сходствах между сообществами озер, которые зависят только от географической удаленности и не зависят от экологических градиентов.
Снижение сходства филогенетического сообщества, обусловленное экологическими причинами, не будет зависеть от ограничения рассеяния, а будет изменяться детерминированно в результате самого градиента. Это связано с тем, что при экологическом сборе оборот таксонов по экологическому градиенту будет определять структуру сообщества в каждом озере. Здесь исследовали соответствуют ли филогенетические структуры цианобактериальных сообществ внутри озер и между ними с течением времени этим ожиданиям от сборочных процессов, и какие модели доминируют.