Η προσέγγιση ενός φυσικού στη βιολογία φέρνει οικολογικές γνώσεις

Πέρυσι, ο Τζεφ Γκορ κατέβηκε έναν σύντομο διάδρομο από το γραφείο του στο εργαστήριό του σε ένα από τα πανεπιστημιακά κτίρια στην Πλατεία Τεχνολογίας στο Κέιμπριτζ της Μασαχουσέτης. Τα μηχανήματα βούιζαν και μια αμυδρή μυρωδιά χλωρίου παρείχε διαβεβαίωση ότι τα πράγματα διατηρούνταν σωστά αποστειρωμένα. Οι εργαστηριακοί μετρητές ήταν διάσπαρτοι με σιφώνια και πλαστικές πλάκες μεγέθους smartphone περίπου που κρατούσαν 96 ημισφαιρικά φρεάτια, το καθένα περίπου μισό εκατοστό σε διάμετρο, σε πλέγματα 8 επί 12. Ο Γκορ πήρε ένα πιάτο. «Είναι σαν τον κόσμο μας», είπε.

Τα μέλη του εργαστηρίου του Gore στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης περνούν τις μέρες τους δημιουργώντας, σκαλίζοντας και προκαλώντας μεμονωμένα νησιά μονοκύτταρων βακτηρίων ή ζυμομυκήτων που ζουν σε καθένα από αυτά τα πηγάδια. Τα είδη αντιπαρατίθενται μεταξύ τους ή υποβάλλονται σε ζέστη, κρύο ή έλλειψη τροφής. Όλο αυτό το διάστημα, οι συσκευές που ονομάζονται κυτταρόμετρα διάβαζαν τα αποτελέσματα αυτών των χιλιάδων πειραμάτων, αρκετά καλά, μερικές φορές ακόμη και κύτταρο σε κύτταρο. Για τον Gore, το κλειδί είναι η δυνατότητα ακριβούς ποσοτικοποίησης των αποτελεσμάτων. "Μπορείτε πραγματικά να μετρήσετε κελιά", είπε.

Το περιβάλλον και τα ερευνητικά θέματα αρμόζουν σε έναν βιολόγο. Αλλά τόσο από εκπαίδευση όσο και από αυτοπροσδιορισμό, ο Gore είναι φυσικός. Και με το θράσος που κάνει τους φυσικούς τόσο να εκτιμώνται όσο και κατά καιρούς να αγανακτούν όταν εισχωρούν σε άλλους τομείς, αυτός ο γρήγορος, διαρκώς αισιόδοξος φυσικός διεξήγαγε την τελευταία δεκαετία αυτό που ελπίζει ότι θα είναι μια ευεργετική εισβολή στην οικολογία.

Ο Γκορ έχει χτίσει μια ερευνητική σταδιοδρομία στη χειραγώγηση απογυμνωμένων οικοσυστημάτων μικροβίων σε αναζήτηση των ειδών θεμελιωδών, παγκόσμιων αρχών που οι φυσικοί έχουν δημιουργήσει την τηλεφωνική τους κάρτα όταν πρόκειται για τον άψυχο κόσμο και που οι οικολόγοι αναζητούν εδώ και καιρό για τον ζωντανό. Αυτό που ξεχωρίζει την προσέγγισή του, λένε οι συνάδελφοι, είναι η επιδίωξη αναπαραγώγιμου πειραματισμού και στατιστικής ανάλυσης που οι οικολόγοι θα μπορούσαν παραδοσιακά να θεωρούσαν ως δυνητικά αφύσικο και παραπλανητικό, αν όχι εντελώς ανέφικτο.

Η προσέγγιση πέτυχε ίσως περισσότερο από όσο είχε κάθε δικαίωμα. Ο Γκορ ανακάλυψε κανόνες που του επιτρέπουν να κάνει προβλέψεις για απλά μικροοικολογικά συστήματα, συμπεριλαμβανομένων των μικροοργανισμών του εντέρου των εργαστηριακών σκουληκιών και των βακτηριακών κοινοτήτων σε δείγματα εδάφους. Ακόμη και βιολόγοι και οικολόγοι που μπορεί να έχουν την τάση να μην εμπιστεύονται έναν εισβολέα φυσικό επαινούν τη στάση του Γκορ με σεβασμό στον τομέα τους και λένε ότι σημειώνει πραγματική πρόοδο σε προβλήματα που μπερδεύουν εδώ και καιρό τους ίδιους και τους συναδέλφους τους.

Ο Γκορ «μπορεί να κάνει πραγματικά βαθιές ερωτήσεις όπου οι άνθρωποι έχουν ξύσει το κεφάλι τους για δεκαετίες», είπε ο Στέφανο Αλεσίνα, θεωρητικός οικολόγος στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο. "Μπορεί να μετατρέψει τη θεωρία σε ένα όμορφο πείραμα όπου μπορείτε να πάρετε ένα καθαρό σήμα, καθαρά δεδομένα."

Τώρα ο Γκορ πιέζει σε νέο έδαφος. Έχοντας κατακτήσει τον χειρισμό των μικροβίων στο εργαστήριο, ελπίζει να ανακαλύψει τους κανόνες που διέπουν τα οικοσυστήματα του πραγματικού κόσμου για τα οποία ενδιαφέρονται πραγματικά οι άνθρωποι. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα είδη συγκεντρώνονται και επιμένουν στις κοινότητες θα μπορούσε να βοηθήσει τους γιατρούς να θεραπεύσουν εντερικές ασθένειες, να επιτρέψουν στους γεωπόνους να δημιουργήσουν υγιέστερο έδαφος και να βοηθήσουν τους οικολόγους να προστατεύσουν ή να αποκαταστήσουν τα οικοσυστήματα.

Ωστόσο, οι συνάδελφοι και στις δύο πλευρές του διαχωρισμού φυσικής-βιολογίας, ενώ υποστηρίζουν την προσπάθεια, αναρωτιούνται πώς θα τα καταφέρει η ριζικά λιτή πειραματική στρατηγική του Gore όταν έρθει αντιμέτωπος με την πλήρη πολυπλοκότητα του ζωντανού κόσμου.

Εξήγηση της μπερδεμένης τράπεζας

Όταν συλλογίζονται τα βαθύτερα ερωτήματα στον τομέα τους, οι φυσικοί μπορεί να ρωτήσουν:Γιατί υπάρχει κάτι αντί για τίποτα; Οι οικολόγοι ρωτούν συχνά:Γιατί υπάρχουν πολλά είδη αντί για λίγα;

Ο θρυλικός οικολόγος G. Evelyn Hutchinson το αποκάλεσε το παράδοξο του πλαγκτόν, αλλά θα μπορούσε εξίσου να το ονομάσει παράδοξο του λιβάδι, το παράδοξο του τροπικού δάσους ή το παράδοξο του μικροβιώματος του εντέρου. Πρακτικά, όπου κι αν κοιτάξετε, η φύση επιλέγει την πολυπλοκότητα από την απλότητα, την ανάμειξη από τις μονοκαλλιέργειες. Ο κόσμος είναι γεμάτος είδη, αλλά δεν είναι ξεκάθαρο γιατί:Σε οποιοδήποτε δεδομένο περιβάλλον, γιατί ένα είδος (ή το πολύ λίγα) δεν κερδίζει πλεονέκτημα και δεν ανταγωνίζεται όλα τα υπόλοιπα; Το πρόβλημα ενοχλεί τους επιστήμονες για περισσότερα από 150 χρόνια, από τότε που ο Δαρβίνος σκέφτηκε περίφημα την «μπερδεμένη τράπεζα» στο On the Origin of Species .

Στη δεκαετία του 1920, οι μαθηματικοί βιολόγοι Alfred Lotka και Vito Volterra έγραψαν ανεξάρτητα ζεύγη συζευγμένων εξισώσεων για να εξηγήσουν πώς ένα είδος θηρευτή και το θήραμά του θα μπορούσαν να προκαλέσουν σταθερή ταλάντωση των αριθμών του άλλου αντί να εκραγούν ή να καταρρεύσουν, παρέχοντας θεωρητική υποστήριξη για συνύπαρξη σε ένα απλό οικοσύστημα. . Αλλά πιο περίπλοκα οικοσυστήματα αψηφούσαν τέτοιες καθαρές μαθηματικές επεξεργασίες.

Καθώς η οικολογία ωρίμασε σε έναν ξεχωριστό κλάδο, η εργασία του Hutchinson και άλλων δημιούργησε μια πιο ποιοτική ιδέα που ονομάζεται θεωρία θέσεων. Η γενική του ιδέα είναι ότι τα είδη ευδοκιμούν με το να εκμεταλλεύονται καλύτερα ένα συγκεκριμένο σύνολο περιβαλλοντικών συνθηκών — ορισμένα δέντρα προτιμούν δροσερές, υγρές τοποθεσίες ενώ άλλα τα καταφέρνουν καλύτερα σε ζεστές και ξηρές. ένα τρίτο σετ φυτρώνει μόνο μετά από φωτιά και ούτω καθεξής. Επομένως, η ετερογένεια της φύσης δημιουργεί χώρους για πληθώρα οργανισμών.

Πριν από περίπου 20 χρόνια, η κυριαρχία της εξειδικευμένης θεωρίας αμφισβητήθηκε από την ουδέτερη θεωρία, η οποία υποστήριξε ότι οι διαφορές μεταξύ των ειδών δεν έχουν γενικά οικολογική σημασία, επειδή η ειδογένεση, η εξαφάνιση και ο θάνατος ατόμων είναι πιο τυχαίοι από ό,τι συνήθως υποτίθεται, και ότι η τυχαιότητα κρατά οποιοδήποτε είδος από κυριαρχεί στους αντιπάλους της. Η συζήτηση μαίνεται μέχρι σήμερα — αν και λίγοι οικολόγοι απορρίπτουν πλήρως την έννοια της εξειδικευμένης θέσης.

Η απογοήτευση για τους θεωρητικούς οικολόγους είναι ότι, με χιλιάδες διαφορετικά οικοσυστήματα σε όλο τον κόσμο, οι οικολογικές θεωρίες μπορεί να είναι δύσκολο να παραποιηθούν καθολικά. Η Allesina αστειεύεται ότι τα σχολικά βιβλία φυσικής παραμένουν περίπου στο ίδιο μήκος με την πάροδο του χρόνου, επειδή τα πειράματα και οι παρατηρήσεις παραποιούν παλιές θεωρίες την ίδια στιγμή που καταλύουν νέες. Αλλά τα οικολογικά κείμενα μεγαλώνουν ολοένα και περισσότερο, επειδή οι παλιότερες θεωρίες παραμένουν γύρω ακόμα και όταν συσσωρεύονται νέες. Δεν είναι σαφές εάν οι ενοποιητικές αρχές που στηρίζουν την οικολογία - το ισοδύναμο της θερμοδυναμικής και της στατιστικής μηχανικής στη φυσική - είναι άγνωστες επειδή κανείς δεν τις έχει ακόμη αποκαλύψει ή επειδή τέτοιες αρχές απλώς δεν υπάρχουν.

Δοκιμάζοντας τις μεγάλες, όμορφες θεωρίες

Ο Γκορ, τόσο σωματικά όσο και πνευματικά ανήσυχος, μπήκε στην οικολογική μάχη αφού βούτηξε τα δάχτυλα των ποδιών του σε πολλές άλλες επιστημονικές λίμνες. Ως προπτυχιακός στο MIT στα τέλη της δεκαετίας του 1990, βοήθησε στην ανάπτυξη μιας πειραματικής συσκευής για τη μελέτη των συμπυκνωμάτων Bose-Einstein με τον Wolfgang Ketterle, ο οποίος θα κέρδιζε το βραβείο Νόμπελ το 2001 επειδή ήταν μεταξύ των πρώτων που παρήγαγαν αυτό το πέμπτο εδώ και καιρό κατάσταση της ύλης. Στο μεταπτυχιακό σχολείο στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, ο Γκορ μετανάστευσε στη βιοφυσική, διερευνώντας την περίπλοκη μηχανική του μορίου του DNA. Επέστρεψε στο MIT ως μεταδιδάκτορας και αυτή τη φορά ώθησε πέρα ​​από τα όρια της συμβατικής βιοφυσικής, χρησιμοποιώντας μαγιά για να διερευνήσει πειραματικά την εξέλιξη της συνεργατικής συμπεριφοράς.

Με την πάροδο του χρόνου, ο Γκορ παρασύρθηκε από αυτό που αποκαλεί τις «μεγάλες, όμορφες θεωρίες» της οικολογίας για το πώς μπορούν να υπάρχουν ζωντανά όντα σε πολύπλοκες κοινότητες. Αλλά παρατήρησε επίσης ότι «η θεωρία και οι μετρήσεις δεν εμπλουτίζουν πάντα η μία την άλλη όσο θα μπορούσαν». Είδε ένα άνοιγμα για σαφείς, σαφείς και αναπαραγώγιμες μετρήσεις που θα μπορούσαν να δοκιμάσουν αυστηρά υποθέσεις και ίσως να απομακρύνουν τη θεωρητική συσσώρευση που θρηνεί η Allesina. Για τον Γκορ, αυτό σήμαινε την άσκηση ενός επιπέδου ελέγχου στη φύση που πολλοί βιολόγοι θα μπορούσαν να βρουν τεχνητό στα άκρα. Άρχισε να βάζει μικρόβια σε αυστηρά ελεγχόμενες ρυθμίσεις και να χρησιμοποιεί εργαλεία αιχμής για να παρακολουθεί με ακρίβεια τις τύχες των ατόμων. Αυτό, σκέφτηκε, θα του επέτρεπε να συντονίσει λίγη από τη φασαρία και το χάος της φύσης, ώστε να μπορεί να αναπαράγει πειράματα πολλές φορές και να δημιουργεί τα είδη των στατιστικών που πείθουν τους φυσικούς ότι έχουν καταγράψει ένα φαινόμενο.

«Η άποψη του Jeff για αυτό ήταν:Ας πάρουμε το πιο απλό πράγμα και ας δούμε πόσο καλά μπορούμε να μετρήσουμε αυτό το πιο απλό πράγμα», είπε ο Kirill Korolev, ένας φυσικός που έκανε έρευνα στο εργαστήριο του Gore και τώρα έχει το δικό του στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης. "Χάνεις την πολυπλοκότητα, αλλά υπάρχουν και οφέλη."

Ο Γκορ ξεκίνησε με το απλούστερο δυνατό οικοσύστημα:μόνο ένα είδος. Ακόμα κι αυτό, αποδείχθηκε, θα μπορούσε να είναι ενδιαφέρον. Ο Gore και τα μέλη του εργαστηρίου του, συμπεριλαμβανομένου του Korolev, σχεδίασαν ένα πείραμα στο οποίο αραίωσαν αποικίες μαγιάς μπύρας που αναπτύσσονταν σε διαλύματα ζάχαρης. Τα κύτταρα ζύμης μπύρας μετατρέπουν τα μη βρώσιμα σάκχαρα σε βρώσιμα, έτσι τα άτομα επωφελούνται από το γεγονός ότι έχουν πολλούς στενούς γείτονες, ενώ η αραίωση λιμοκτονεί τους πληθυσμούς της ζύμης. Οι ερευνητές εντόπισαν σήματα στα δεδομένα τους που τους επέτρεπαν να προβλέψουν εάν οι πληθυσμοί της ζύμης θα ευδοκιμούσαν ή θα κατέρρεαν. Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε το 2012 στο Science και το πιο δημοφιλές έγγραφο από το εργαστήριο του Gore μέχρι σήμερα, περιείχε ένα σχήμα γνωστό ως διάγραμμα διχοτόμησης, το οποίο χαρτογραφεί τις ακριβείς συνθήκες κάτω από τις οποίες το οικοσύστημα παραμένει σταθερό ή περνά από ένα καταστροφικό σημείο καμπής.

Ένα τέτοιο διάγραμμα είναι «κάτι που είναι πολύ αγαπητό στους περισσότερους μαθηματικούς οικολόγους», είπε η Allesina. Ο αείμνηστος Ρόμπερτ Μέι, ένας πρωτοπόρος φυσικός που έγινε οικολόγος, βοήθησε στην εκτόξευση του πεδίου της θεωρίας του χάους όταν ανακάλυψε ότι μια εξίσωση που χρησιμοποιήθηκε για τη μοντελοποίηση της πληθυσμιακής αύξησης των εντόμων παρήγαγε ένα διάγραμμα διχοτόμησης. Η ομάδα του Γκορ πήρε την ιδέα από τον υπολογιστή και τον πίνακα στο εργαστήριο.

«Αυτό το χαρτί ήταν εξαιρετικά εντυπωσιακό», είπε η Αλεσίνα. «Τα δεδομένα δείχνουν ότι λειτουργεί ακριβώς όπως θα προέβλεπε η θεωρία. Αυτό ήταν το πράγμα που με έκανε πολύ, πολύ συνειδητοποιημένο για το έργο του [Gore]."

Μεταξύ δύο και του άπειρου

Υπάρχει ένα αστείο ότι οι φυσικοί μπορούν να περιγράψουν συστήματα ενός, δύο ή άπειρων μεμονωμένων στοιχείων, αλλά τίποτα ενδιάμεσα. Έχοντας λοιπόν αποδείξει την ικανότητά του να δημιουργεί γνώσεις από ένα είδος, ο Γκορ προχώρησε σε δύο. Στην εργασία με επικεφαλής τον τότε μεταδιδακτορικό Jonathan Friedman, μέλη του εργαστηρίου του Gore απομόνωσαν οκτώ βακτηριακά στελέχη από το έδαφος και τα έβαλαν μεταξύ τους σε διάφορους συνδυασμούς στις πλάκες τους με 96 φρεάτια. Από τα αποτελέσματα, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα σύνολο απλών κανόνων:Ο Α συναγωνίζεται το Β, ο Β συναγωνίζεται ο Γ, ο Γ και ο Δ μπορούν να συνυπάρχουν κ.ο.κ.

Στη συνέχεια, οι επιστήμονες αναμείξαν το είδος σε τρίο. Η ομάδα του Γκορ διαπίστωσε ότι τα αποτελέσματα των μαχών ένας προς έναν τους επέτρεψαν να προβλέψουν με ακρίβεια 90% αν ένα δεδομένο είδος θα επιβίωνε στα πιο πολύπλοκα μείγματα. Με άλλα λόγια, αν ο Α κέρδιζε τον Β και ο Β νικούσε τον Γ, ο Α σχεδόν σίγουρα θα κέρδιζε τον Β και τον Γ.

Ωστόσο, οκτώ μικρόβια δύσκολα αποδεικνύονται ένα παγκόσμιο σημείο. Έτσι, οι ερευνητές έκαναν ένα άλλο βήμα προς τον πραγματικό κόσμο:ο πτυχιούχος φοιτητής Logan Higgins βγήκε έξω στο γρασίδι της Τεχνολογικής Πλατείας του MIT και μάζεψε λίγο χώμα γεμάτο με μικρόβια. Η ομάδα απομόνωσε στελέχη και καθόρισε τους κανόνες ανά ζεύγη που διέπουν τις ικανότητες των μικροβίων να υπερτερούν ή να συνυπάρχουν μεταξύ τους. Στη συνέχεια, οι ερευνητές εξέτασαν σχεδόν χίλια βακτήρια στα πλαστικά πηγάδια τους.

Αυτά τα πειράματα υποκινήθηκαν εν μέρει από προτάσεις που χρονολογούνται στη δεκαετία του 1970 ότι μείγματα πολλών ειδών θα μπορούσαν να σταθεροποιήσουν το ένα το άλλο μέσω ανταγωνιστικής ισορροπίας. Ένα παράδειγμα μιας τέτοιας σταθεροποιητικής αλληλεπίδρασης «υψηλότερης τάξης» μοιάζει με ένα παιχνίδι βράχου-χαρτιού-ψαλιδιού, στο οποίο καθένα από τα τρία συνυπάρχοντα είδη καταστέλλει τον έναν ανταγωνιστή αλλά καταστέλλεται από τον άλλο. Οι θεωρητικοί έχουν προτείνει ότι τέτοιες διευθετήσεις θα μπορούσαν να είναι ένας κομψός τρόπος για τη δημιουργία διαφορετικών οικοσυστημάτων, εμποδίζοντας οποιοδήποτε είδος να ανταγωνίζεται τα υπόλοιπα. Βακτηριακά τρίο που σταθεροποιούνται από σχέσεις πέτρας-χαρτιού-ψαλιδιού έχουν ακόμη και κατασκευαστεί στο εργαστήριο.

Αλλά η έλλειψη εμπειρικών δεδομένων έχει καταστήσει δύσκολο να πούμε πόσο σημαντική είναι αυτή η διευθέτηση στη φύση. «Λατρεύω το ψαλίδι-πέτρα-χαρτί», είπε η Allesina. "Αυτό δεν το κάνει πολύ κοινό στη φύση."

Μεταξύ των στελεχών του εδάφους, η ομάδα του Gore βρήκε μόνο μια σχέση πέτρας-χαρτιού-ψαλιδιού. Όπως και στο προηγούμενο πείραμα, τα αποτελέσματα των μαχών ένας προς έναν έμοιαζαν να διέπουν το συνολικό οικοσύστημα. μόνο σε μία περίπτωση το βακτήριο C νίκησε τον Α για να συμπληρώσει το τρίγωνο. Όταν οι ερευνητές έριξαν 20 στελέχη σε πηγάδια όλα μαζί, μόλις τρία αναδείχθηκαν ως κυρίαρχα, όπως προβλεπόταν από τους κανόνες ανά ζεύγη - πολύ μακριά από την αρχική ποικιλόμορφη, σταθερή κοινότητα εδάφους. Με το ψαλίδι-πέτρα-χαρτί σχεδόν να αποκλείεται, η ομάδα του Gore κατέληξε στο συμπέρασμα ότι οι μικροσκοπικές αλλαγές στις περιβαλλοντικές συνθήκες εντός της φυσικής μήτρας του εδάφους πιθανώς σταθεροποίησαν την ποικιλόμορφη κοινότητα στο φυσικό της περιβάλλον, επειδή οι σχέσεις τριών ή περισσότερων μικροβίων δεν φαινόταν να κάνουν τη δουλειά. στο εργαστήριο.

Οι μελέτες άφησαν να εννοηθεί ότι οι μέθοδοι του Γκορ θα μπορούσαν να έχουν κάτι να πουν για τη χώρα των φυσικών μεταξύ δύο και του άπειρου που καταλαμβάνουν τα οικοσυστήματα του πραγματικού κόσμου. «Δεν νομίζω ότι αυτό που βρίσκουμε υπονοεί απαραίτητα ότι αυτό λειτουργεί κάθε οικοσύστημα», είπε ο Friedman, τώρα ανώτερος λέκτορας στο Εβραϊκό Πανεπιστήμιο της Ιερουσαλήμ στο Rehovot του Ισραήλ. "Αλλά είναι η καλύτερη προσπάθεια για να καταλάβουμε πώς λειτουργεί ένα οικοσύστημα."

«Χτίζουμε πραγματικά… παρόμοια με τον τρόπο που οι φυσικοί κατανοούσαν την κβαντική μηχανική και τα άτομα», είπε ο Γκορ. «Πρώτα προσπαθήσαμε να κατανοήσουμε το υδρογόνο. Δεν είναι ότι οι φυσικοί είχαν εμμονή με το υδρογόνο από μόνο του, αλλά αν δεν καταλαβαίνετε το υδρογόνο, είναι λίγο επικίνδυνο να προσπαθήσετε να πάτε πολύ μακριά. … Έτσι βλέπω την προσέγγισή μας. Ξεκινήσαμε με το υδρογόνο και βρισκόμαστε κάπως στο ήλιο και το μεθάνιο αυτή τη στιγμή."

Δημιουργία

Τα μικρόβια είναι ζωτικής σημασίας για τη φύση. Τα βακτήρια και οι μύκητες του εδάφους συντηρούν τα φυτά που τρώμε και τα δάση που παρέχουν σταθεροποίηση του κλίματος και το μεγαλύτερο μέρος της βιοποικιλότητας της Γης. Στα έντερά μας, τα βακτήρια μας βοηθούν να αφομοιώσουμε τα τρόφιμα και πιστεύεται ότι συμβάλλουν στην ανοσία και πιθανώς ακόμη και στη γνωστική λειτουργία. Αλλά οι μικροβιακές κοινότητες μπορούν επίσης να προκαλέσουν καταστροφή. Ίσως το πιο γνωστό παράδειγμα συμβαίνει όταν το βακτήριο Clostridium difficile εισβάλλει στο έντερο, προκαλώντας επώδυνη και μερικές φορές θανατηφόρα κολίτιδα. Τέτοιες εισβολές είναι δύσκολο να προβλεφθούν και δύσκολο να αντιστραφούν. Σήμερα,  αντιμετωπίζονται όλο και περισσότερο μέσω μεταμόσχευσης κοπράνων — μια προσπάθεια ωμής βίας να αντικατασταθεί ένα ανθυγιεινό μικροβίωμα με ένα υγιές.

«Δεν καταλαβαίνουμε τίποτα, έτσι μεταμοσχεύουμε ολόκληρη την κοινότητα και σταυρώνουμε τα δάχτυλά μας», είπε η Allesina. «Πιστεύετε πραγματικά ότι χρειάζεστε και τα 5.000 στελέχη; … Πιθανώς όχι. Πιθανώς μικρότερες κοινότητες που έχουν μόνο λίγα πράγματα θα είχαν το ίδιο αποτέλεσμα.»

Ενθαρρυμένος από τη σειρά των υποσχόμενων αποτελεσμάτων του, ο Gore έχει βάλει τα βλέμματα πρόσφατα στο μικροβίωμα του εντέρου. Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε τον Φεβρουάριο, η ομάδα του διαπίστωσε ότι όταν ένα οικοσύστημα δύο μικροβίων εισέβαλε για λίγο ένα τρίτο είδος, το κυρίαρχο στέλεχος στο οικοσύστημα συχνά άλλαζε. Μια παρόμοια δυναμική, πρότειναν οι συγγραφείς, θα μπορούσε να διαδραματίζεται στο C. difficile  λοιμώξεις.

Αλλά στην προσπάθειά του να αποστάξει τους παγκόσμιους κανόνες συναρμολόγησης ειδών από το τέλμα του ανθρώπινου εντέρου, ο Γκορ αντιμετωπίζει μια τρομακτική αναρρίχηση σε πολυπλοκότητα. Στα έντερά μας, περισσότερα από ένα τρισεκατομμύριο βακτήρια που αποτελούνται από εκατοντάδες είδη ανταγωνίζονται και συγκατοικούν ανά πάσα στιγμή. Ένα μονοπάτι προς την πρόοδο άνοιξε όταν ένας νέος μεταδιδάκτορας, ο Nic Vega, έφερε ένα σκουλήκι στο εργαστήριο Gore:Caenorhabditis elegans , ένα πρότυπο οργανισμό που μελετήθηκε από χιλιάδες βιολόγους. Το σκουλήκι, όπως εμείς, έχει έντερο και μικροβίωμα, αλλά αυτό το μικροβίωμα έχει μόλις 100.000 περίπου μέλη.

Προσαρμόζοντας την προσέγγιση από τα πειράματα του εδάφους, ο Vega τάισε σκουλήκια ζεύγη βακτηρίων με κόκκινη και πράσινη σήμανση, άφησε τα βακτήρια να τα ξεφορτωθούν μέσα στο έντερο και στη συνέχεια να αλέθουν τα σκουλήκια για να προσδιορίσουν πόσα από κάθε τύπο επέζησαν. Προσδιόρισαν ότι οι τυχαίες διακυμάνσεις στους ρυθμούς με τους οποίους τα δύο βακτηριακά είδη αποίκησαν τα σκουλήκια οδήγησαν σε σημαντικές διαφορές στα πλήρως συναρμολογημένα μικροβιώματα των σκουληκιών. Η ιδέα ότι τέτοιες διαφορές θα μπορούσαν να εξηγηθούν, είπε ο Vega, ήταν «λίγο ξένη» για τους ερευνητές του μικροβιώματος.

Σε μια μελέτη που ακολούθησε, ο Vega και ο μεταπτυχιακός φοιτητής Anthony Ortiz Lopez μελέτησαν τα αποτελέσματα των ζευγών διαγωνισμών μεταξύ 11 ειδών βακτηρίων που ζουν στα έντερα των σκουληκιών και στη συνέχεια τάισαν σκουλήκια με μείγματα έως και τριών από αυτά τα είδη. Όπως και στο έδαφος, οι κανόνες κατά ζεύγη προέβλεπαν σε μεγάλο βαθμό το τελικό αποτέλεσμα στις περισσότερες περιπτώσεις. Οι ερευνητές δημοσίευσαν μια προκαταρκτική εργασία στον διακομιστή προεκτύπωσης biorxiv.org και την υπέβαλαν σε ένα περιοδικό για αξιολόγηση από ομοτίμους.

Το πείραμα έδειξε ότι αν και οι εξωτερικοί παράγοντες έχουν σημασία, "τα αποτελέσματα ανά ζεύγη είναι ισχυρά αντικείμενα" για την πρόβλεψη της εξέλιξης των μικροβιακών κοινοτήτων σε μια σειρά από περιβάλλοντα, είπε ο Γκορ.

Ομοίως, με τον Vega, τώρα καθηγητή στο Πανεπιστήμιο Emory στην Ατλάντα, το αποτέλεσμα αντιπροσωπεύει μια ισχυρή απόδειξη ότι οι μέθοδοι του Gore μεταφράζονται σε οργανισμούς του πραγματικού κόσμου. «Σίγουρα σε ένα οικοσύστημα του ανθρώπινου εντέρου, δεν είναι φυσικά δυνατό να γίνουν όλες οι ζευγαρωμένες αλληλεπιδράσεις των μικροβίων που υπάρχουν», είπε ο Vega. «Αυτό που προσπαθούμε να καταλάβουμε τώρα είναι… ποιες πληροφορίες χρειάζεστε πραγματικά για να προβλέψετε τη συμπεριφορά και ποιος είναι ο καλύτερος τρόπος για να την αποκτήσετε;» Αυτό που έχει δει ο Vega μέχρι στιγμής τους κάνει αισιόδοξους. "Έχω ελπίδα ότι θα μπορέσουμε να κατανοήσουμε τις ιδιότητες του μικροβιώματος των θηλαστικών και σκόπιμα να ανασχεδιάσουμε το μικροβίωμα των θηλαστικών."

Δεν είναι όλοι πεπεισμένοι για αυτό. Πέρα από τις δυσκολίες που δημιουργούνται από τον τεράστιο αριθμό και την ποικιλομορφία τους, τα βακτήρια εκκρίνουν συνεχώς ενώσεις που αλλάζουν το περιβάλλον τόσο για αυτά όσο και για τα πάντα γύρω τους. Η αποτύπωση τέτοιων αποχρώσεων θα απαιτήσει πρόοδο πέρα ​​από αυτά που έχει επιτύχει ο Gore ή οποιοσδήποτε άλλος.

«Πιστεύω ότι θα είναι πολύ δύσκολο να αναπαραχθούν πλήρως τα ανθρώπινα μικροβιώματα στο εργαστήριο», είπε η Tami Lieberman, βιολόγος του MIT που μελετά θεραπείες που βασίζονται στο μικροβίωμα. Όμως, τονίζει, αυτό δεν σημαίνει ότι δεν αξίζει τον κόπο. Πράγματι, ως αρχή προς αυτή την κατεύθυνση, ο Λίμπερμαν και ο Γκορ συζητούν ένα συνεργατικό πείραμα για να ελέγξουν πόσο καλά οι κανόνες ανά ζεύγη προβλέπουν τις μικροβιακές αλληλεπιδράσεις στο ανθρώπινο έντερο.

Για τον Pankaj Mehta, έναν θεωρητικό φυσικό στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης, ακριβώς απέναντι από τον ποταμό Charles από το MIT, η προσέγγιση του Gore έχει ξεπεράσει τις προσδοκίες. Νωρίς, ο Mehta πίστευε ότι ο Gore αγνοούσε σημαντικές λεπτομέρειες σχετικά με τα μικροβιακά περιβάλλοντα, αλλά ο Mehta παραδέχεται ότι αυτές οι λεπτομέρειες έχουν αποδειχθεί λιγότερο σημαντικές από ό, τι πίστευε. «Αυτό που είναι ενδιαφέρον και εντυπωσιακό με το έργο είναι ότι δείχνουν ότι πολλά, πολλά διαφορετικά φαινόμενα - αλλαγές pH, ανταγωνισμός για θρεπτικά συστατικά - μπορούν να αποτυπωθούν χρησιμοποιώντας αυτά τα απλά φαινομενολογικά μοντέλα, τουλάχιστον σε συστήματα όπου υπάρχουν λίγα είδη», είπε η Mehta. . "Αυτός είναι ένας αληθινός και δοκιμασμένος αναγωγισμός του είδους που χρησιμοποιείται καλά στη φυσική."

Αλλά η Mehta, επίσης, παραμένει δύσπιστη για το πόσο μακριά μπορεί να φτάσει ο Gore. Παρέχει μια αναλογία:Όταν οι φυσικοί προσπαθούν να περιγράψουν 10 μόρια αέρα που μπορεί να τριγυρίζουν γύρω από ένα δωμάτιο ανά πάσα στιγμή, δεν γράφουν μια εξίσωση για κάθε μόριο. Αντίθετα, αναζητούν παραμέτρους που περιγράφουν τη μέση συμπεριφορά των σωματιδίων - εξ ου και το άπειρο στο αστείο «ένα, δύο και άπειρο». Για ένα αέριο, αποδεικνύεται ότι υπάρχει μια τέτοια παράμετρος:θερμοκρασία. Κοιτάξτε ένα θερμόμετρο και θα μάθετε πολλά από όσα αξίζει να γνωρίζετε για οποιονδήποτε αρκετά μεγάλο αριθμό μορίων γύρω σας.

Η Mehta πιστεύει ότι αυτή η προσέγγιση «από πάνω προς τα κάτω» μπορεί επίσης να λειτουργήσει για τα μικρόβια. Σε μελέτες που διεξήγαγε η ομάδα του και άλλοι, παράμετροι υψηλού επιπέδου, όπως η διαθεσιμότητα των θρεπτικών ουσιών και ο βαθμός στον οποίο τα βακτηριακά είδη εξαρτώνται από τις εκκρίσεις του άλλου, κατέλαβαν σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τον τρόπο λειτουργίας των μικροβιακών κοινοτήτων, χωρίς να απαιτείται λεπτομερής γνώση των μελών αυτών των κοινοτήτων. ή αλληλεπιδράσεις.

Ο Gore, λέει ο Mehta, προσπαθεί αποτελεσματικά να λογοδοτήσει για κάθε μικρόβιο, σε αυτό που οι επιστήμονες αποκαλούν προσέγγιση «από κάτω προς τα πάνω». Αν και αυτό έχει λειτουργήσει καλά μέχρι στιγμής, "πιστεύω ότι θα είναι αναμφίβολα πολύ πιο δύσκολο να εισαγάγουμε έναν τρόπο σε πολύ περίπλοκα συστήματα", είπε ο Mehta. "Σίγουρα πιστεύω ότι θα γίνεται όλο και λιγότερο προγνωστικό."

Ο Allesina, στο δικό του έργο, ευνοεί επίσης την προσέγγιση από πάνω προς τα κάτω. Σε μια μελέτη μοντελοποίησης του 2018, πέταξε μαζί 100 προσομοιωμένα μικρόβια και διαπίστωσε ότι σχηματίστηκαν σταθερά οικοσυστήματα ανεξάρτητα από τις ιδιαιτερότητες των μικροβιακών αλληλεπιδράσεων. Αλλά η Allesina πιστεύει ότι χρειάζονται και οι δύο στρατηγικές. «Μου αρέσει το πάνω κάτω… είναι πιο διασκεδαστικό», είπε η Allesina. "Αλλά νομίζω ότι η απάντηση θα είναι στη μέση."

Ο θεωρητικός οικολόγος του Πρίνστον, Σάιμον Λέβιν, σημειώνει μια άλλη πρόκληση με την οποία πρέπει να αντιμετωπίσει ο Γκορ:Τα μικρόβια, σε αντίθεση με τα χημικά στοιχεία ή τα υποατομικά σωματίδια, εξελίσσονται συνεχώς, έτσι το σύστημα μελέτης σας αλλάζει ενώ πειραματίζεστε σε αυτό. "Αυτό θα είναι πάντα ένας περιορισμός κάθε είδους προγνωστικής θεωρίας" στη βιολογία, είπε ο Levin. "Όταν κάτι μπορεί να έρθει από το αριστερό πεδίο, είναι πολύ δύσκολο να οικοδομήσουμε μια θεωρία για το τι μπορεί να είναι."

Τα επόμενα χρόνια μπορεί να δείξουν εάν ο Γκορ μπορεί να πετύχει τους υψηλούς στόχους που έχει θέσει για τον εαυτό του. Πιστός στην ανήσυχη φύση του, που αναζητά τη βελτίωση, τον τελευταίο καιρό έχει ενθουσιαστεί με μια συνεργασία με τους Friedman και Paul Blainey του Broad Institute που επαναχρησιμοποιούν ένα τσιπ νανορευστών που κατασκευάστηκε για έλεγχο φαρμάκων υψηλής απόδοσης. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν πρόσφατα το τσιπ για να μελετήσουν περισσότερες από 180.000 αλληλεπιδράσεις μεταξύ 20 βακτηρίων του εδάφους σε 40 διαφορετικά περιβάλλοντα και διαπίστωσαν ότι οι αλληλεπιδράσεις στις οποίες ένα μικρόβιο επωφελείται από την παρουσία ενός άλλου είναι πολύ πιο συνηθισμένες από ό,τι αναμενόταν - ένα αποτέλεσμα που θα μπορούσε να είναι άλλο ένα πλήγμα για τα συμβατικά σοφία για το πώς συμπεριφέρονται τα βακτήρια στις κοινότητες.

Ο Levin λέει ότι ο Gore αύξησε τις πιθανότητες επιτυχίας του κάνοντας σωστά ένα σημαντικό πράγμα. «Δεν μπαίνει όπως πολλοί φυσικοί και λέει, «Είμαι φυσικός και είμαι εδώ για να σε βοηθήσω», είπε ο Levin. «Ο Τζεφ μετατράπηκε σε βιολόγο. Δείχνει σεβασμό για τις ιδέες του γηπέδου.”

Η Αλεσίνα συμφώνησε. "Είμαστε τυχεροί που αποφάσισε να σπουδάσει οικολογία."

Διόρθωση:14 Οκτωβρίου 2020
Το βίντεο που συνοδεύει αυτό το άρθρο αρχικά παραμελούσε να πιστώσει κάποια πλάνα στο "Ταξίδι στον Μικρόκοσμο".