Ισχυρό εργαλείο φυσικής θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν πολύπλοκα οικοσυστήματα
Το έντερό σας είναι το σπίτι της μικροβιακής τρέλας. Εκατοντάδες τρισεκατομμύρια βακτήρια που ανήκουν σε αμέτρητα είδη αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με πολύπλοκους τρόπους που μπορούν να σας κρατήσουν υγιείς και να προκαλέσουν ασθένειες. Το να πειράξουμε αυτές τις αλληλεπιδράσεις θα φαινόταν αδύνατο έργο.
Τώρα, οι μικροβιολόγοι βρήκαν βοήθεια από μια απίθανη πηγή:τη φυσική. Ένα νέο πείραμα υποδηλώνει ότι μια ισχυρή ιδέα γνωστή ως μετάβαση φάσης μπορεί να προβλέψει πώς συμπεριφέρονται πολύπλοκα οικοσυστήματα -όπως αυτά που αποτελούνται από τα βακτήρια στην κοιλιά σας. Το εύρημα θα μπορούσε να μας βοηθήσει να διατηρήσουμε τα έντερά μας υγιή και ακόμη και να προστατεύσουμε άλλα πολύπλοκα οικοσυστήματα όπως τα τροπικά δάση και οι κοραλλιογενείς ύφαλοι.
«Είναι ένα όμορφο έργο», λέει η Fernanda Pinheiro, ένας φυσικός που μελετά βακτηριακή οικολογία και φυσιολογία στο Human Technopole, ο οποίος δεν ασχολήθηκε με την εργασία.
Μια μετάβαση φάσης στη φυσική λειτουργεί ως εξής:Όλα όσα πραγματικά πρέπει να ξέρετε για τεράστιες συλλογές σωματιδίων—αν τα 10 μόρια σε ένα ποτήρι νερό είναι υγρά ή στερεά, για παράδειγμα, ή εάν τα αμέτρητα άτομα σε ένα μέταλλο θα τακτοποιηθούν σε ένας μαγνήτης—συχνά ελέγχεται από μερικούς απλούς παράγοντες, όπως η θερμοκρασία και η πίεση. Οι θεωρητικοί ήδη από τη δεκαετία του 1970 έχουν προτείνει δύο παράγοντες -ο συνολικός αριθμός ειδών και η ισχύς των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ειδών- θα μπορούσαν να προβλέψουν εάν πολύπλοκα ζωντανά συστήματα, όπως τα χιλιάδες είδη σε ένα τροπικό δάσος, θα παραμείνουν σταθερά.
Αλλά η δοκιμή τέτοιων θεωριών έχει αποδειχθεί πρόκληση. Αυτό συμβαίνει επειδή συνήθως δεν υπάρχει τρόπος πειραματικού χειρισμού των μεγεθών του πληθυσμού ή των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ειδών στα φυσικά οικοσυστήματα. «Δεν έχετε ένα πόμολο που μπορείτε να γυρίσετε που κάνει τα λιοντάρια να τρώνε καλύτερα τις ζέβρες», λέει ο Seppe Kuehn, οικολόγος στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο που δεν συμμετείχε στη μελέτη.
Για να αντιμετωπίσει το πρόβλημα, ο φυσικός Jeff Gore του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT) και οι συνεργάτες του δημιούργησαν ειδικά οικοσυστήματα στο εργαστήριο. Πήραν 24 είδη βακτηρίων από το έδαφος ενός φυσικού καταφυγίου στην περιοχή της Βοστώνης και μάζεψαν άλλα 24 από έντερα νηματωδών. Μεγάλωσαν τα μικρόβια μαζί σε πλαστικά πηγάδια και αύξησαν και μείωσαν τη συγκέντρωση των θρεπτικών ουσιών για να χειριστούν πόσο έντονα αλληλεπιδρούν τα διαφορετικά είδη μεταξύ τους. Όσο περισσότερα θρεπτικά συστατικά, τόσο περισσότερο ανταγωνίζονταν τα διαφορετικά είδη.
Τα πειραματικά οικοσυστήματα πέρασαν από τρεις διακριτές φάσεις καθώς αυξανόταν ο αριθμός των ειδών στο μείγμα ή η ένταση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ειδών. Αρχικά, ο πληθυσμός κάθε είδους παρέμεινε σταθερός. Στη συνέχεια, όταν ο αριθμός των ειδών ή οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ειδών ξεπέρασαν ένα συγκεκριμένο όριο, το σύστημα εισήλθε απότομα σε μια νέα φάση στην οποία ορισμένα είδη άρχισαν να πεθαίνουν. Καθώς οι πειραματιστές συνέχιζαν να προσθέτουν είδη και να αυξάνουν τα επίπεδα θρεπτικών συστατικών, το σύστημα πέρασε σε μια τρίτη φάση:Οι πληθυσμοί των υπόλοιπων ειδών άρχισαν να παρουσιάζουν άγρια διακυμάνσεις, υποδεικνύοντας ότι το οικοσύστημα στο σύνολό του είχε χάσει τη σταθερότητα.
Το αποτέλεσμα:Μόνο δύο μεταβλητές —ο αριθμός των ειδών και η μέση ισχύς αλληλεπίδρασης— καθόρισαν εάν μια συντριβή διαφορετικών μικροβίων θα ήταν σταθερή ή χαοτική, λέει η συγγραφέας της μελέτης Jiliang Hu, μεταπτυχιακή φοιτήτρια μηχανολογίας στο MIT.
Η εργασία, που δημοσιεύτηκε σήμερα στο Science , είναι η πρώτη που αναφέρει αναπαραγόμενες μεταβάσεις φάσης με βάση τις αλληλεπιδράσεις και την ποικιλομορφία των ειδών σε κοινότητες με περισσότερα από μια μικρή χούφτα είδη, λέει ο Kuehn.
Οι θεωρητικοί υποψιάζονταν από καιρό ότι διακυμάνσεις όπως αυτές που βρήκε η ομάδα του Γκορ μπορούν να επιτρέψουν σε μεγάλους αριθμούς ειδών να συνυπάρχουν, επειδή καθώς ο πληθυσμός ενός είδους πέφτει σε χαμηλό επίπεδο, θα μπορούσε να δημιουργήσει χώρο για να αναπτυχθούν κάποιο άλλο. Η μελέτη «δίνει λόγους να ελπίζουμε ότι μια τέτοια φάση θα μπορούσε να υπάρχει και σε φυσικές κοινότητες», κάτι που θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί τόσα πολλά είδη μπορούν να συνυπάρχουν στα οικοσυστήματα του πραγματικού κόσμου, λέει ο Daniel Fisher, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, ο οποίος δεν ήταν εμπλέκονται με την εργασία.
Αλλά στη φύση, οι οργανισμοί ζουν σε περιβάλλοντα με περίπλοκες χωρικές δομές και εξωτερικές επιρροές που η ομάδα του Γκορ δεν εξέτασε, σημειώνει ο Fisher. Για παράδειγμα, το έντερο χωρίζεται σε διαφορετικές περιοχές και συνεχώς πλημμυρίζεται με θρεπτικά συστατικά, χημικές ουσίες και νερό. Λόγω αυτής της πολυπλοκότητας, λέει ο Fisher, "το αν [το εύρημα] σχετίζεται με οτιδήποτε στον πραγματικό κόσμο είναι πολύ στον αέρα."
Ωστόσο, η εργασία είναι «ένα πολύ σημαντικό βήμα», λέει η Ophelia Venturelli, βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin, Madison, η οποία δεν συμμετείχε στη μελέτη. Η πρόοδος θα μπορούσε, για παράδειγμα, να βοηθήσει τους ερευνητές να σχεδιάσουν μείγματα βακτηρίων του εντέρου που θα παραμείνουν υγιή και θα αντισταθούν στην κατάληψη από παθογόνα όπως το Clostridium difficile , που μπορεί να προκαλέσει σοβαρή διάρροια και πόνο, ακόμη και θάνατο, λέει.
Ως επόμενο βήμα, ο Venturelli ελπίζει να δει τους ερευνητές να καταγράφουν τις μεταβάσεις μικροβιακής φάσης στα έντερα ποντικών εργαστηρίου ή άλλων λιγότερο τεχνητών οικοσυστημάτων. "Θα ήμουν πολύ ενθουσιασμένος να δοκιμάσω μερικές από αυτές τις ιδέες που έχει ανακαλύψει η ομάδα του Jeff σε πιο ρεαλιστικά περιβάλλοντα."
Η μελέτη θα μπορούσε επίσης να αποτελέσει τη βάση για τον έλεγχο του πόσο πιθανό είναι μια βακτηριακή κοινότητα να αναπτύξει αντίσταση στα αντιβιοτικά, λέει ο Pinheiro. "Το γεγονός ότι βρίσκουν μοτίβα" στα μικροβιακά οικοσυστήματα, λέει, "θα εμπνεύσει πολλή δουλειά."
