Как природа противоречит математике, сохраняя стабильность экосистем

Парадоксально, но большое количество примеров плотного взаимодействия живых существ обычно приводит к катастрофам экологических моделей. Новый анализ намекает на то, как природа будто бы опровергает математику.

За прекрасным внешним видом джунглей, саванны или безмятежного озера скрывается мир соперничества и партнёрских отношений. Виды соревнуются за пространство, поглощают друг друга в борьбе за ресурсы, пользуются преимуществами талантов друг друга и заключают сделки за питательные вещества. Однако есть в этой картине что-то странное. Когда экологи пытаются моделировать экосистемы при помощи математики, они обычно обнаруживают, что чем больше взаимодействия между видами, тем менее стабильной получается система. Чтобы простая модель экосистемы была стабильной, все взаимодействия между её видами должны находиться в идеальной гармонии. Поддержка этого акта балансировки сильно усложняется с ростом количества взаимодействующих видов и силы их взаимодействий: любое возмущение или дисбаланс одной взаимодействующей пары начинает распространяться и сеять хаос по всей сети.

А если добавить сюда мутуализм, по которому выживание двух видов напрямую зависит друг от друга, то всё разваливается ещё быстрее. Пары взаимозависимых организмов иногда так хорошо чувствуют себя в математических симуляциях – экспоненциально развиваясь в крайних случаях, которые Роберт Мэй, пионер теоретической биологии как-то назвал “оргией взаимной выгоды” – что все остальные вымирают.

Кажется маловероятным, что реальные экосистемы будут такими неуклюжими. В новой работе, опубликованной в Nature Communications, пара экологов-теоретиков из Иллинойского университета тщательнее изучили, как именно тактика взаимных уступок в мутуализме влияет на стабильность экосистемы и как, при подходящих условиях, она приносит пользу экосистеме. Их результат является продолжением предыдущей работы, показывая, как именно реальные сообщества оказываются более устойчивыми, чем модели.

Хотя исследователи уже знают, как обходить несоответствия для получения более реалистичных результатов от своих моделей, недавно проблема мутуализма приобрела новую срочность – так считает Джеймс О’Двайер, эколог-теоретик из Иллинойского университета в Урбана-Кампейн, соавтор работы, написанной вместе со Стэйси Батлер, одной из его аспиранток. Растущий объём знаний о распространённости микробных сообществ и их важности для здоровья повышает приоритет задачи поиска правильного способа их моделирования.


Джеймс О’Двайер, эколог-теоретик из Иллинойского университета в Урбана-Кампейн

“Крупные микробные сообщества с большим количеством взаимодействий на почве взаимного поедания и обмена ресурсами должны иметь множество сильных мутуалистичных взаимодействий”, – сказал он. В традиционных моделях это привело бы к созданию крайне нестабильной системы, однако стабильность – одна из визитных карточек подобных сообществ. Микробиота кишечника примечательно стабильна, когда человек здоров, а её флуктуации совпадают с периодами заболеваний.

Для своего Исследования О’Двайер и Батлер сначала создали модель, в которой организмы рождаются, производят потомство и умирают, при этом поглощая ресурсы и соревнуясь за них, в то время, как ресурсы приходят к ним извне – как репрезентация потока питательных веществ в микробной системе. Исследователи определили предпочтения организмов к различным видам ресурсов. “Можно представить, что данная бактерия лучше растёт на этом источнике углерода, и хуже на другом, поэтому предпочитает первый”, – пояснил Стефано Аллесина, эколог-теоретик их Чикагского университета, не связанный с исследованием, но делавший на него рецензию перед публикацией. И при определённых значениях притока питательных веществ и скорости вымирания образуется стабильная экосистема.

Затем О’Двайер и Батлер ввели мутуализм, заставив организмы питаться не только внешними ресурсами, но и продуктами жизнедеятельности друг друга – и очень чётко описали, кто что от кого получает. Как и ожидалось, мутуализм дестабилизировал систему. Однако было и важное исключение – когда исследователи настраивали симметричный мутуализм, то есть, когда каждый участник симбиоза отдавал ровно столько, сколько получал. В таком случае система возвращалась к стабильности.

Аллесина считает интересным в этой находке то, что в предыдущих исследованиях считалось, что несимметричный мутуализм на самом деле стабилизирует ситуацию, поскольку не способствует активному росту обоих видов.

Идеальный баланс мутуализма кажется достаточно требовательным и маловероятным решением проблемы дестабилизации. “Они нашли особый случай, в котором возможно существование стабильного разнообразного сообщества с мутуализмом. Однако у него есть очень серьёзные ограничения на природу взаимодействий”, – сказала Катарина Койт, эколог-теоретик из Бостонского детского госпиталя. У реальных экосистем должны быть более правдоподобные способы выживания. В работе от 2015 года, опубликованной в журнале Science, Койт с коллегами рассказали, что активное соревнование между бактериями микробиома может само по себе служить стабилизирующим фактором, ограничивая любой вид, который в ином случае завладел бы всей системой.

Зарегистрируйтесь с промокодом в системе каршеринга, и на ваш счёт зачислят бонусы.

YouDrive и YouDrive litea8Yh6e
BelkaCarTMGA3338

Оплатите подписку, и реклама отключится

Тем не менее Койт не исключает возможности существования сбалансированных мутуализмов, смоделированных О’Двайером и Батлер. “Было бы интересно посмотреть на соответствующие биологические сценарии”, – сказала она.

О’Двайер с коллегами и в самом деле планируют использовать данные из реального мира для коррекции моделей. О’Двайер сказал, что в этом деле могут помочь списки видов, существующих в микробиоте кишечника, пробы которого брали из фекалий человека в течение месяцев или лет, совместно с подробной информацией о выборах питания для микробов. Это поможет ограничить параметры, при которых их модель сможет реалистично работать.

Тем временем, задача моделирования крупных микробных сообществ продолжает привлекать интерес многих исследователей. Чего ожидать биологам при выполнении экспериментов, в которых множество бактерий живёт совместно, соревнуясь, и, возможно, обмениваясь ресурсами?

Пока что не существует пристойной нулевой гипотезы, если верить Аллесине. В недавней работе для журнала Nature Ecology & Evolution он с коллегами задал вопрос: что будет, если они бросят сотню различных бактериальных проб на питательную поверхность чашки Петри и будут смотреть, кто из них выживет. Они обнаружили, что при моделировании подобного сценария множество видов вымирает, но в итоге часто действительно появляется стабильная экосистема, которая остаётся стабильной вне зависимости от взаимосвязи видов.

Он надеется, что такая теоретическая работа сможет поспособствовать лабораторным исследованиям. “В генетике люди добились серьёзного прогресса, изучая модельные организмы, – сказал он. – Было бы интересно получить модельные экосистемы, которые можно многократно воспроизвести в лаборатории”. Если исследователи лучше поймут поведение стандартных сообществ кишечных бактерий в чашке Петри, это может привести к созданию более подробной и полезной теории. Зная, что примеры природных экосистем никогда не появляются в простейших классических моделях, можно задать вопрос, какие из новых моделей ближе всего подходят к реальности?

Источник

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

1,179 просмотров всего, 6 просмотров сегодня