«После чтения газет — всегда грязные руки».
— Владимир Борисов

Борьба за еду привела к устойчивости и разнообразию микробных экосистем

16 апреля, 15:41:18

A. Goyal & S. Maslov / Physical Review Letters, 2018

Ученые разработали математическую модель, которая связывает видовое многообразие и структуру микробных экосистем со скоростью и механизмами использования поступающих в среду питательных веществ. Оказалось, что описания только этих процессов достаточно для объяснения возможности существования устойчивых экосистем, состоящих из нескольких сотен различных видов микроорганизмов, пишут ученые в Physical Review Letters.

Микробные экосистемы — как внутри организма-хозяина, так и в открытой среде — часто имеют сложную структуру и включают в себя очень большое количество микроорганизмов разных видов, которые при этом довольно сильно отличаются между собой по форме и размерам. В очень ограниченном объеме могут сосуществовать несколько десятков или даже сотен различных видов. Особенно удивительным для ученых этот факт выглядит с учетом возможности экспоненциального роста отдельных видов и ограниченного количества питательных веществ в среде. При этом даже в одинаковых условиях такие экосистемы, состоящие из микроорганизмов, могут сильно отличаться друг от друга по своему составу.

Для объяснения аномальной устойчивости микробных экосистем, большого количества возможных вариантов видового состава и подавления экспоненциального роста хотя бы одного из видов биологи Акшит Гойал (Akshit Goyal) из Национального центра биологических наук Индии и Сергей Маслов (Sergei Maslov) из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне предложили для описания таких экосистем относительно простую математическую модель. Эта модель вообще не рассматривает процессы взаимодействия микроорганизмов различных видов между собой, а учитывает только их реакцию на изменение в среде концентрации необходимых для жизнедеятельности питательных веществ.

Согласно модели, в систему с постоянной скоростью поступает всего одно питательное вещество. Часть этого вещества идет на увеличение биомассы, а часть в результате метаболических процессов превращается в побочные продукты, которые служат питательными веществами для других видов. Кроме того, эту систему постоянно пытаются «колонизировать» новые виды микроорганизмов со своей скоростью роста, которые попадают в нее из других колоний и могут или выжить в новой системе, или погибнуть. При этом, помимо процессов роста числа каждого из видов микроорганизмов и содержания питательных веществ, в системе с постоянной скоростью происходит уменьшение их концентрации за счет разбавления.

При этом оказалось, что для нормального функционирования такой экосистемы необходимо наличие некоторых видов, которые составляют «ядро» колонии и должны в ней присутствовать всегда. Однако некоторые виды организмов в структуре экосистемы могут со временем сменяться один другим. Эта смена в свою очередь может стать причиной замены той части микроорганизмов, чья жизнедеятельность зависела от питательных веществ, вырабатываемых ушедшими микробами. Этот механизм объясняет возможные отличия между сходными по своей структуре микробными экосистемами, встречающимися в природе.

Данные, полученные с помощью предложенной математической модели, ученые сравнили со экспериментально полученными результатами — структурой микробной экосистемы на языке человека. Биологи обнаружили, что разработанную модель можно использовать для количественного статистического описания фракционного состава природных микробных экосистем.

Кроме того, авторы исследования утверждают, что устойчивая экосистема может образоваться даже в случае наличия в ней единственного питательного вещества, которое используют для своей жизнедеятельности все организмы. Поэтому при увеличении разнообразия этих веществ возможно и усложнение системы.

Часто микробные колонии не только включают очень большое число различных видов, но и имеют довольно сложную пространственную организацию. Например, ученые обнаружили, что сообщества со сложной структурой формируют микроорганизмы при образовании зубного налета. В этой экосистеме содержится около 700 видов микробов, у каждого из которых свое место в колонии и своя функция.

Александр Дубов

Автоматические теги: Микробиология, Химия, Наука, Математика, Смерть, Индия, Азия,

Всего новостей в базе - 251004.