Исследования показывают, что микробы могут значительно изменить окружающую среду, прежде чем вымрут.
Когда вид растений или животных представлен в новой среде с небольшим количеством естественных хищников, он может бесконтрольно распространяться, трансформируя экосистему и вытесняя существующие популяции. Одним из хорошо известных примеров является тростниковая жаба, которая была завезена в Австралию в 1935 году и население которой сейчас исчисляется миллионами.
Связанный, но менее понятный сценарий происходит, когда захватчик прибывает, трансформирует экосистему, а затем умирает. Физики Массачусетского технологического института теперь показали, как этот вид «временного вторжения» может происходить в бактериальных популяциях, провоцируя переход от одного стабильного состояния сообщества к другому, в то время как сам захватчик исчезает.
«Эти результаты подчеркивают один из возможных способов, которым, даже если вид не выживает в течение длительного времени, он, тем не менее, может оказывать долгосрочное воздействие на сообщество», - говорит Джефф Гор, доцент физики MIT и старший автор исследования.
Полученные данные могут также пролить свет на то, как временные захватчики влияют на экосистемы реального мира, такие как бактерии, которые изменяют микробиом кишечника человека перед прохождением через пищеварительный тракт, или северный олень, чей выпас настолько обширен, что население уже не может там выжить.
MIT postdoc Даниэль Амор является ведущим автором статьи, которая выходит сегодня в журнале Science Advances . Исследователь Массачусетского технологического института Кристоф Рацке также является автором исследования.
Стабильные популяции
Исследовательская группа изначально намеревалась изучить факторы, которые могут побудить экосистемы переключаться между двумя устойчивыми состояниями. Многие экосистемы могут существовать в альтернативных стабильных состояниях, но одна может быть более «желательной», чем другая, например, озеро, которое может быть здоровым или эвтрофным (чрезмерно покрытым водорослями). В одном драматическом примере Сахарская область перешла с влажного луга в пустыню около 5000 лет назад.
«Механизмы, которые управляют этими переходами, и можем ли мы их контролировать, не очень ясно», - говорит Амор.
Лаборатория Гора изучает принципы, которые управляют этими видами сложных экологических изменений, создавая упрощенные версии, которые можно анализировать в лаборатории. В этом случае исследователи изучали популяции двух видов бактерий - Corynebacterium ammiagenes и Lactobacillus plantarum - которые, как известно, подавляют рост друг друга, изменяя рН среды роста в своей среде. Это взаимное торможение приводит к двум альтернативным состояниям сообщества, в котором доминирует тот или иной вид.
Сначала исследователи позволили бактериальным популяциям естественным образом достичь стабильного состояния, в котором один вид доминировал над всем сообществом. Как только популяции стабилизировались, исследователи представили захватчика и измерили, как это повлияло на ранее стабильные популяции.
Из шести изученных исследователями видов-захватчиков три произвели поглощение, которое изменило общую популяционную динамику экосистемы, но затем вымерло. Исследователи обнаружили, что это явление произошло из-за изменения кислотности окружающей среды.
В исходном стабильном состоянии L. plantarum делает среду кислой, что сдерживает рост C.ammoniagenes . Захватчики, которые процветают в кислой среде, быстро растут после появления. Тем не менее, для некоторых из этих захватчиков, их быстрый рост производит побочные продукты метаболизма, которые повышают pH, делая окружающую среду менее гостеприимной для себя и для L. plantarum . В результате C.ammoniagenes вступает во владение, и захватчик исчезает.
Затем исследователи выяснили, можно ли увидеть это явление в естественных популяциях бактерий. Они взяли образцы почвы и вырастили найденные ими виды бактерий, что позволило этим сообществам достичь разнообразных альтернативных стабильных состояний в новой среде лаборатории. После введения тех же захватчиков, которые они использовали в более ранних экспериментах, они наблюдали схожие закономерности быстрого роста, а затем исчезновения захватчиков вместе со сдвигом в составе первоначального сообщества.
«Это говорит о том, что это был не редкий эффект, который мы наблюдаем только в экспериментах с гипотезой, но и в естественных условиях», - говорит Амор.
Стефано Аллезина, профессор экологии и эволюции в Чикагском университете, назвал эксперименты «элегантными и надежными».
«Эта работа имеет явно важное значение для манипулирования микробными сообществами. Возможность перехода микробного сообщества из неблагоприятного состояния в благоприятное является одной из наиболее важных задач в этой области, и команда MIT показала, что временные захватчики могут быть идеальным «переключателем света» - они выполняют свою работу, а затем исчезают », - говорит Аллезина, которая не участвовала в исследовании.
Быстрое вымирание
Хотя может показаться нелогичным, что вид создаст условия, которые приведут к его гибели, в природе это может происходить часто, говорят исследователи. В документе, опубликованном в 2018 году, Гор и двое его коллег описали несколько видов бактерий, которые, по сути, совершают «экологическое самоубийство», растя так быстро, что местная среда становится слишком загрязненной кислотными отходами, чтобы они могли выжить.
Отчасти это происходит потому, что генетические мутации, которые позволяют человеку расти быстрее, могут быстро распространяться через популяцию, даже если это наносит вред окружающей среде.
«Есть много видов, которые могли бы изменить окружающую среду таким образом, чтобы это могло привести к быстрому исчезновению популяции», - говорит Гор. «Может случиться так, что в некоторых ситуациях стратегия медленного роста и отсутствия загрязнения окружающей среды может не быть эволюционно устойчивой по отношению к мутанту, который просто пользуется окружающей средой, в то время как он хорош, быстро растет и приводит к большому производству токсинов. , Проблема в том, что, хотя в краткосрочной перспективе для каждого человека это целесообразно, это ведет к неоптимальным результатам для населения ».
Гор говорит, что он надеется, что полученные результаты побудят ученых, которые изучают более сложные экосистемы, такие как озера или микробиом кишечника человека, искать эти виды переходных инвазий и их последствия.
«Природа этих сложных систем заключается в том, что они могут быть немного подавляющими», - говорит он. «Вы не знаете, что именно вы должны искать в данных или какие эксперименты вам следует проводить. Мы надеемся, что некоторые из наших работ могут мотивировать других людей искать подобные явления в своих системах ».
Физики Массачусетского технологического института показали, что введение временного захватчика (пурпурного цвета) в популяцию бактерий может спровоцировать переход системы из одного стабильного состояния (в котором доминируют желтые бактерии) в альтернативное стабильное состояние, в котором зеленый становится доминирующим.