Ученые разработали модель экосистемы, объясняющую «парадокс планктона» — Naked Science
17.04.2018
Редакция

Ученые разработали модель экосистемы, объясняющую «парадокс планктона»

Математическая модель смогла объяснить проблему, известную как «парадокс планктона»: каким образом экосистемы микроорганизмов поддерживают многообразие видов?

21-0
©Wikipedia

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.

 

Сравнение кривых разрежения для эмпирических наблюдений (красная линия) и модели (серая зона). Слева — линейная шкала, справа —логарифмическая / © Physical Review Letters

 

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.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Вчера, 17:42
Мария Азарова

Генеральный конструктор «Энергии» и руководитель полета российского сегмента МКС Владимир Соловьев назвал причину незапланированного включения двигателей нового модуля «Наука», из-за которого станцию развернуло на 45 градусов.

Вчера, 18:00
Сколтех

Исследователи Сколтеха и их коллеги изучили самый продолжительный на сегодня случай заболевания Covid-19 у пациентки с ослабленным иммунитетом, которая болела 318 дней. Исследование позволило выявить мутации, которые помогают коронавирусу SARS-CoV-2 избегать клеточного иммунитета.

9 часов назад
Илья Ведмеденко

Российские специалисты разрабатывают четырехдвигательную версию пассажирского Ил-114. Это позволит повысить дальность и грузоподъемность крылатой машины.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

27 июля
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

25 июля
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: