Πώς η φύση αψηφά τα μαθηματικά για να διατηρεί σταθερά τα οικοσυστήματα

Πίσω από την όμορφη πρόσοψη ενός τροπικού δάσους, μιας σαβάνας ή μιας ήρεμης λίμνης βρίσκεται ένας κόσμος γεμάτος διαγωνισμούς και συνεργασίες. Τα είδη ανταγωνίζονται για το διάστημα, καταναλώνουν το ένα το άλλο για πόρους, εκμεταλλεύονται το ένα τα ταλέντα του άλλου και μεσολαβούν στο εμπόριο θρεπτικών ουσιών. Αλλά υπάρχει κάτι αστείο σε αυτή την εικόνα. Όταν οι οικολόγοι προσπαθούν να μοντελοποιήσουν τα οικοσυστήματα χρησιμοποιώντας μαθηματικά, τείνουν να βρίσκουν ότι όσο περισσότερες αλληλεπιδράσεις υπάρχουν μεταξύ των ειδών, τόσο πιο ασταθές είναι το σύστημα. Για να είναι σταθερό ένα απλό μοντέλο οικοσυστήματος, όλες οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ειδών του πρέπει να είναι σε τέλεια αρμονία. Ωστόσο, η διατήρηση αυτής της πράξης εξισορρόπησης γίνεται πολύ πιο δύσκολη, καθώς αυξάνεται ο αριθμός των συζευγμένων ειδών και τα δυνατά σημεία των αλληλεπιδράσεών τους:Οποιαδήποτε διαταραχή ή ανισορροπία για ένα ζευγάρι κυματίζει προς τα έξω και προκαλεί χάος σε όλο το δίκτυο.

Φέρτε αμοιβαίες σχέσεις, σχέσεις στις οποίες τα είδη συμβάλλουν άμεσα το ένα στην επιβίωση του άλλου και τα πράγματα μπορούν πραγματικά να ξεφύγουν. Ζεύγη οργανισμών που ζουν ο ένας από τον άλλον μερικές φορές τα καταφέρνουν τόσο καλά στις μαθηματικές προσομοιώσεις - ευδοκιμώντας εκθετικά σε ακραίες περιπτώσεις, σε αυτό που ο Robert May, ο πρωτοπόρος της θεωρητικής οικολογίας, κάποτε αποκαλούσε «ένα όργιο αμοιβαίας ευεργεσίας» - που όλα τα άλλα μπορούν να εξαφανιστούν.

Φαίνεται απίθανο τα πραγματικά οικοσυστήματα να είναι τόσο αδύναμα. Σε μια νέα εργασία στο Nature Communications , ένα ζευγάρι θεωρητικών οικολόγων στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις διερεύνησε με μεγαλύτερη ακρίβεια πώς το δούναι και λαβείν στην αμοιβαιότητα επηρεάζει τη σταθερότητα του οικοσυστήματος και πώς, υπό τις κατάλληλες συνθήκες, μπορεί να συμβάλει σε αυτήν. Το αποτέλεσμά τους συνδυάζεται με προηγούμενες εργασίες υποδεικνύοντας πώς οι κοινότητες του πραγματικού κόσμου καταφέρνουν να είναι πιο ανθεκτικές από ό,τι υπονοούν τα μοντέλα.

Ενώ οι ερευνητές έχουν μάθει πώς να επιλύουν τις ασυνέπειες για να έχουν πιο ρεαλιστικά αποτελέσματα στις μελέτες μοντελοποίησης, πρόσφατα το πρόβλημα της αμοιβαιότητας έχει αποκτήσει νέα επείγουσα ανάγκη, σύμφωνα με τον James O'Dwyer, θεωρητικό οικολόγο και αναπληρωτή καθηγητή στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στο Ο Urbana-Champaign, ο οποίος συνέγραψε την εργασία με τη Stacey Butler, μια από τις διδακτορικές του φοιτήτριες. Η αυξανόμενη γνώση για το πόσο κοινές κοινότητες μικροβίων είναι και πόσο σημαντικά είναι για την υγεία καθιστά πιο επιτακτικό να μάθετε πώς να τα μοντελοποιήσετε.

«Οι μεγάλες μικροβιακές κοινότητες με πολλές αλληλεπιδράσεις διασταύρωσης όπου υπάρχει ανταλλαγή πόρων θα πρέπει να έχουν πολλές ισχυρές αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις», είπε. Στα παραδοσιακά μοντέλα, αυτό θα δημιουργούσε ένα πολύ ασταθές σύστημα, και ωστόσο η σταθερότητα θεωρείται χαρακτηριστικό αυτών των κοινοτήτων. Τα μικροβιώματα του εντέρου είναι ιδιαίτερα σταθερά σε περιόδους υγείας και οι διακυμάνσεις συμπίπτουν με την ασθένεια.

Για τη μελέτη τους, οι O'Dwyer και Butler κατασκεύασαν αρχικά ένα μοντέλο στο οποίο οι οργανισμοί γεννιούνται, αναπαράγονται και πεθαίνουν ενώ καταναλώνουν και ανταγωνίζονται για πόρους που φτάνουν από αλλού, σε μια αναπαράσταση της ροής των θρεπτικών ουσιών σε ένα μικροβιακό οικοσύστημα. Οι ερευνητές προσδιόρισαν τις προτιμήσεις που είχαν οι οργανισμοί για διαφορετικά είδη πόρων. «Μπορείτε να φανταστείτε ότι αυτό το βακτήριο αναπτύσσεται καλύτερα σε αυτήν την πηγή άνθρακα αλλά λίγο χειρότερα σε άλλη πηγή άνθρακα, οπότε θα προτιμούσε το πρώτο», εξήγησε ο Stefano Allesina, θεωρητικός οικολόγος στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο που δεν συμμετείχε στην έρευνα αλλά το εξέτασε για δημοσίευση. Για ορισμένες τιμές εισροών θρεπτικών ουσιών και ποσοστών θνησιμότητας, προέκυψε ένα σταθερό οικοσύστημα.

Στη συνέχεια, ο O'Dwyer και ο Butler εισήγαγαν την αμοιβαιότητα καθοδηγώντας ότι οι οργανισμοί τρέφονται όχι μόνο από εξωτερικούς πόρους αλλά ο ένας από τα υποπροϊόντα του άλλου - και ήταν πολύ συγκεκριμένοι για το ποιος πήρε τι από ποιον. Όπως ήταν αναμενόμενο, οι αμοιβαίες σχέσεις είχαν αποσταθεροποιητική επίδραση στο σύστημα. Αλλά μια σημαντική εξαίρεση ήταν εάν οι ερευνητές καθόρισαν ότι η αμοιβαιότητα έπρεπε να είναι συμμετρική - εάν κάθε συμβαλλόμενο μέρος στη συνεργασία έδινε το ίδιο ποσό που χρειαζόταν. Σε αυτήν την περίπτωση, το σύστημα επέστρεψε σε σταθερότητα.

Αυτό που κάνει αυτό το εύρημα ενδιαφέρον, σύμφωνα με την Allesina, είναι ότι σε προηγούμενες μελέτες, οι αμοιβαίες σχέσεις στις οποίες τα δύο μέρη δεν επωφελήθηκαν εξίσου θεωρούνταν γενικά ότι είναι πιο σταθεροποιητικές επειδή δεν θα οδηγούσαν την επέκταση και των δύο ειδών τόσο άγρια.

Η τέλεια ισορροπία σε αμοιβαίες σχέσεις φαίνεται σαν μια απαιτητική και απίθανη λύση για την αποσταθεροποιητική επιρροή της αμοιβαιότητας. «Βρίσκουν μια ειδική περίπτωση όπου μπορούν να διατηρήσουν μια ποικιλόμορφη σταθερή κοινότητα που είναι αμοιβαία. Αλλά έχει πολύ αυστηρές απαιτήσεις σχετικά με τη φύση των [των] αλληλεπιδράσεων», δήλωσε η Katharine Z. Coyte, θεωρητική οικολόγος τώρα στο Νοσοκομείο Παίδων της Βοστώνης. Μπορεί να υπάρχουν πιο εύλογοι τρόποι για να αντιμετωπίσουν τα πραγματικά οικοσυστήματα. Σε μια εργασία του 2015 στο Science , η Coyte και οι συνεργάτες της ανέφεραν ότι ο έντονος ανταγωνισμός μεταξύ των βακτηρίων στο μικροβίωμα μπορεί από μόνος του να είναι σταθεροποιητική δύναμη, κρατώντας υπό έλεγχο κάθε είδος που διαφορετικά θα μπορούσε να ξεπεράσει το σύστημα.

Παρ 'όλα αυτά, ο Coyte δεν αποκλείει την πιθανότητα των ισορροπημένων αμοιβαιοτήτων που μοντελοποίησαν οι O'Dwyer και Butler. "Θα ήταν ενδιαφέρον να δούμε αν υπάρχουν βιολογικά σενάρια που είναι σαν αυτό", είπε.

Πράγματι, ο O'Dwyer και οι συνάδελφοί του θέλουν να χρησιμοποιήσουν δεδομένα από την πραγματική ζωή για να προσαρμόσουν τα μοντέλα τους. Στιγμιότυπα του είδους στο μικροβίωμα του εντέρου, που λαμβάνονται από δείγματα κοπράνων ανθρώπων για μήνες ή χρόνια, θα μπορούσαν να είναι χρήσιμα για εξέταση, είπε ο O'Dwyer, μαζί με λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τις επιλογές διατροφής των μικροβίων. Αυτό θα βοηθούσε στον περιορισμό των παραμέτρων για τις οποίες το μοντέλο τους θα μπορούσε να λειτουργήσει ρεαλιστικά.

Εν τω μεταξύ, το έργο της μοντελοποίησης μεγάλων μικροβιακών κοινοτήτων συνεχίζει να προσελκύει το ενδιαφέρον πολλών ερευνητών. Τι πρέπει να περιμένουν οι βιολόγοι όταν διεξάγουν πειράματα όπου πολλά βακτήρια ζουν μαζί, ανταγωνίζονται και πιθανώς ανταλλάσσουν πόρους;

Προς το παρόν, δεν υπάρχει μεγάλη μηδενική υπόθεση, σύμφωνα με την Allesina. Σε μια πρόσφατη εργασία στο Nature Ecology &Evolution , ο ίδιος και οι συνεργάτες του ρώτησαν τι θα συνέβαινε αν, για παράδειγμα, πέταγαν εκατό διαφορετικά δείγματα βακτηρίων στο καταπράσινο, καλά εφοδιασμένο επίπεδο ενός τρυβλίου Petri και παρακολουθούσαν για να δουν ποιος επέζησε. Διαπίστωσαν ότι όταν μοντελοποιείτε ένα τέτοιο σενάριο, πολλά είδη πεθαίνουν, αλλά τελικά δημιουργείται συχνά ένα σταθερό οικοσύστημα και παραμένει σταθερό ανεξάρτητα από το πώς συνδέονται τα είδη μεταξύ τους.

Ελπίζει ότι μια τέτοια θεωρητική εργασία μπορεί τελικά να βοηθήσει στην προώθηση της εργασίας στο εργαστήριο. «Οι άνθρωποι έχουν κάνει μεγάλη πρόοδο στη γενετική μελετώντας οργανισμούς-μοντέλους», είπε. «Θα ήταν διασκεδαστικό να έχουμε μοντέλα οικοσυστημάτων που μπορούμε να επαναλάβουμε στο εργαστήριο αρκετές φορές». Εάν οι ερευνητές κατανοούσαν καλύτερα πώς συμπεριφέρονταν οι τυπικές κοινότητες των βακτηρίων του εντέρου στο πιάτο, αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε πιο διαφοροποιημένη και χρήσιμη θεωρία επίσης. Γνωρίζοντας ότι αυτό που φαίνεται στη φύση δεν προκύπτει ποτέ με τις απλούστερες κλασικές μορφές μοντελοποίησης οικοσυστημάτων, οι ερευνητές θα μπορούσαν να ρωτήσουν ποιο από όλα αυτά τα νεότερα μοντέλα είναι πιο κοντά;