Ученые разработали модель экосистемы, объясняющую «парадокс планктона»

Разнообразие микробных экосистем при попытках обоснования приводит к «парадоксу планктона». Ученые Сергей Маслов и Акшит Гоял (Akshit Goyal) создали математическую модель, адекватно описывающую динамическое состояние в такой системе.

Планктон и микробные сообщества состоят из сотен видов, основных и «периферийных», последних в системе меньше. Но как эти организмы сосуществуют? Конкуренция не поддерживает сразу много видов, выживает сильнейший. Ресурсы ограничены. Микроорганизмы способны к экспоненциальному увеличению количества: случайно полученное преимущество вызывает взрывной рост популяции. Известен принцип конкурентного исключения: число видов в экосистеме устойчиво и не может превышать количество доступных питательных веществ. Такая устойчивость обеспечена специализацией питания микроорганизмов.

Эта «естественная» теоретическая модель проста, понятна, противоречит фактам и потому названа «парадоксом планктона». Его объяснение — в дополнительных факторах. Часть видов питается вторичными продуктами — отходами жизнедеятельности других видов. «Добавочные» микроорганизмы осваивают свободные экологические ниши или конкурируют за занятые.

С. Маслов и А. Гоял разработали математическую модель экосистемы микроорганизмов. Каждый вид потребляет строго один ресурс, причем случайным образом, — этот параметр назвали сродством. Новый вид в системе имеет две вероятности существования. Когда нужный ресурс никто не потребляет, он выживает и включается в экосистему. Если же источник «занят», то сродство к нему определяет сильнейший вид. Каждый вид микроорганизма не только потребляет ресурс, но и производит отходы — как результат метаболизма. Некоторые виды могут использовать их в качестве собственного ресурса. Первичная модель содержала один общий ресурс, а основные виды производили по два вида вторичного, также учитывался рост биомассы. Для удобства моделирования количественные отношения высчитывались как концентрации соответствующих ресурсов. Несмотря на простоту, эта модель реалистично показывает экологию экосистемы микроорганизмов.

Если новый вид вытеснит старый, погибнут микроорганизмы, которые потребляли продукты метаболизма. Исследователи отметили, что со временем «спектр» вымирающих видов растет, экосистема производит устойчивые разветвленные питательные цепочки. Графическое изображение пищевых зависимостей приобретает древовидную структуру. В начале эволюции экосистемы случаются массовые вымирания видов, смена доминирования по количеству, но постепенно все приходит в стабильное состояние.

Отличие разработанной модели от раннего подхода — в явном учете энергосбережения. Ресурсы уходят не только на рост биомассы, но и на образование побочных продуктов и отходов, пригодных для других видов микроорганизмов. Второе приближение к действительности — моделирование взаимодействия множества видов. Вычисления проводили многократно, со случайной изменчивостью параметров модели.

Проверку работы модели осуществили в нескольких средах: почвенная микробная экосистема, станция очистки сточных вод, биореактор для производства метана и образцы микрофлоры полости рта человека. Эксперимент показал эффективность модели, что видно по кривой разрежения — изменению числа видов в пробах экосистем.

Даже при учете одного ресурса модель экосистемы соответствует наблюдаемой изменчивости. Ученые планируют доработать модель. Микроорганизмы могут использовать несколько ресурсов, причем как параллельно, так и последовательно — оба варианта существуют в природе. Сродство к ресурсу не обязательно критично для выживания: кроме вымирания, конкуренция приводит к «торговым» отношениям между видами, формирующими некую пропорцию количества. При этом необходимо иметь в виду системные взаимодействия с потреблением других ресурсов. Учет питания видов можно уподобить логической схеме и/или: вид монополизирует одни источники ресурса, а другие делит с остальными.