Ученые выяснили, как микроорганизмы могут становиться «ключом» к резким изменениям экосистем, не задерживаясь в них надолго.
Бактерия захватчик меняет окружение, но не выживает / © Massachusetts Institute of Technology
Известно, что инвазивные виды растений или животных, попадающие в новую среду, где у них нет естественных врагов, начинают быстро размножаться, трансформируя экосистему и вытесняя аборигенные популяции. Яркий пример — жаба-ага в Австралии.
Похожий, но менее понятный сценарий развивается, когда захватчик прибывает, изменяет экосистему, а затем погибает. Физики из Массачусетского технологического института обнаружили, что такое «временное вторжение» может происходить в популяциях бактерий: захватчик способствует трансформации микробиома, провоцируя переход от одного стабильного состояния сообщества к другому, а сам исчезает. Статья опубликована в журнале Science Advances.
«Эти результаты показывают, что бывает так, что даже если вид не выживает в течение длительного времени, он тем не менее может оказывать долгосрочное воздействие на сообщество», — говорит старший автор исследования Джефф Гор.
Полученные данные могут показать, как такие временные захватчики влияют на экосистемы — будь то бактерии, которые изменяют микробиом кишечника человека, ненадолго появившись в его пищеварительном тракте, или козы, питающиеся так, что на обширных территориях не могут больше выжить прежние виды растений и животных.
Изначально ученые планировали изучить факторы, которые могут побудить экосистемы переключаться между двумя устойчивыми состояниями. Многие экосистемы способны существовать в альтернативных стабильных состояниях, но одна может быть более «желательной», чем другая: например, озеро, которое может быть здоровым или эвтрофным (чрезмерно покрытым водорослями). Например, Сахара стала пустыней всего 5000 лет назад — до того она была покрыта травами. Механизмы, которые управляют этими переходами, не всегда понятны, как и возможность управления ими.
Чтобы изучить принципы, которые управляют этими сложными экологическими изменениями, исследователи проверили их упрощенные версии, которые можно анализировать в лаборатории. Авторы работы изучали популяции двух видов бактерий — Corynebacterium ammiagenes и Lactobacillus plantarum, которые, как известно, подавляют рост друг друга, изменяя pH среды: в их сообществе есть два устойчивых состояния, при которых доминирует один из видов в зависимости от кислотности среды.
Далее на этих стабильных состояниях анализировали влияние временных захватчиков: из шести проверенных видов три смогли изменить общую популяционную динамику экосистемы, а затем вымерли.
Например, при стабильном состоянии микробиома, где L.plantarum правит бал, эти микроорганизмы поддерживают среду кислой, что сдерживает рост C.ammoniagenes. Захватчики, которые процветают в кислой среде, попав в нее, быстро растут. Однако такой быстрый рост производит побочные продукты метаболизма, которые повышают pH, что делает окружающую среду менее гостеприимной для инвазивных микроорганизмов и L.plantarum. В результате C.ammoniagenes снова одерживают верх.
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 лабораторной среде. После введения тех же захватчиков, которых использовали на предыдущей стадии эксперимента, ученые наблюдали схожие закономерности быстрого роста, а затем — исчезновения захватчиков вместе со сдвигом в составе первоначального сообщества. Это показывает, что такой эффект реально происходит в естественных сообществах и не является чисто лабораторным продуктом.
Хотя то, что вид создаст условия, которые приведут к его гибели, выглядит нелогично, в природе это может происходить часто. Более ранние работы показывают, что «экологическое самоубийство», при котором вид делает окружающую среду непригодной для самого себя, не редкость.
Это происходит потому, что в микробной популяции те мутации, которые позволяют быстро расти, максимально эксплуатируя окружающую среду, в краткосрочной перспективе выигрывают у тех, кто медленно растут, сохраняя ее пригодной для жизни в будущем.
«Эта работа явно имеет важные последствия 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, как временные захватчики могут быть идеальным «выключателем» — они выполняют свою работу и затем исчезают», — отмечает Стефано Аллезина, профессор экологии и эволюции в Чикагском университете.
Можно отметить, что эта модель имеет смысл не только в упрощенных сообществах. Ученые надеются, что данные их работы помогут изучать и более сложные экосистемы, такие как озера или микробиом кишечника человека, искать эти виды инвазий, вызывающих переходные состояния, и их последствия.
