بررسی پویایی اکوسیستم های طبیعی به کمک میکروب ها

به گزارش روابط پایگاه اطلاع رسانی علوم آزمایشگاهی ایران، تلاش برای رمزگشایی از همه عواملی که بر رفتار جوامع پیچیده اکولوژیکی تأثیر می گذارند، می تواند کاری دلهره آور باشد. با این حال، محققان MIT اکنون نشان داده اند که رفتار این اکوسیستم ها را می توان تنها بر اساس دو اطلاعات پیش بینی کرد: تعداد گونه های موجود در جامعه و میزان تعامل آنها با یکدیگر.

در مطالعات انجام شده روی باکتری های رشد یافته در آزمایشگاه، محققان توانستند سه حالت از جوامع اکولوژیکی را تعریف کنند و شرایط لازم برای حرکت آنها از یک حالت به حالت دیگر را محاسبه کنند. این یافته ها به محققان اجازه داد تا «نمودار فازی» را برای اکوسیستم ها ایجاد کنند، شبیه به نمودارهایی که فیزیکدانان برای توصیف شرایط کنترل کننده انتقال آب از جامد به مایع به گاز استفاده می کنند.

بررسی پویایی اکوسیستم های طبیعی دشوار است زیرا در حالی که دانشمندان می توانند مشاهداتی در مورد نحوه تعامل گونه ها با یکدیگر انجام دهند، آنها معمولاً نمی توانند آزمایش های کنترل شده را در طبیعت انجام دهند. آزمایشگاه گور در استفاده از میکروب هایی مانند باکتری ها و مخمرها برای تجزیه و تحلیل فعل و انفعالات بین گونه ای به روشی کنترل شده تخصص دارد، به این امید که در مورد نحوه رفتار اکوسیستم های طبیعی اطلاعات بیشتری کسب کند.

در سال های اخیر، آزمایشگاه او نشان داده است که چگونه رفتار رقابتی و مشارکتی بر جمعیت ها تأثیر می گذارد و علائم هشدار دهنده اولیه سقوط جمعیت را شناسایی کرده است. در طول این مدت، آزمایشگاه او به تدریج از مطالعه یک یا دو گونه در یک زمان به اکوسیستم های مقیاس بزرگتر تبدیل شد.

همانطور که آنها برای مطالعه جوامع بزرگتر کار می کردند، گور علاقه مند به آزمایش برخی از پیش بینی هایی شد که فیزیکدانان نظری در مورد پویایی اکوسیستم های بزرگ و پیچیده انجام داده اند. یکی از آن پیش بینی ها این بود که اکوسیستم ها بر اساس تعداد گونه های موجود در جامعه و میزان تعامل بین گونه ها در مراحلی با ثبات متغیر حرکت می کنند. تحت این چارچوب، نوع تعامل - غارتگرانه، رقابتی یا مشارکتی - اهمیتی ندارد. فقط قدرت تعامل مهم است.

برای آزمایش این پیش بینی، محققان جوامعی از دو تا ۴۸ گونه باکتری ایجاد کردند. برای هر جامعه، محققان تعداد گونه ها را با تشکیل جوامع مصنوعی مختلف با مجموعه های مختلف گونه ها کنترل کردند. آنها همچنین توانستند با افزایش مقدار غذای موجود، تعامل بین گونه ها را تقویت کنند، که باعث بزرگتر شدن جمعیت می شود و همچنین می تواند منجر به تغییرات محیطی مانند افزایش اسیدی شدن شود.

نتایج این دستکاری های آزمایشی تأیید کرد که تئوری ها به درستی پیش بینی کرده بودند که چه اتفاقی می افتد. در ابتدا، هر جامعه در مرحله ای به نام «وجود کامل پایدار» وجود داشت که در آن همه گونه ها بدون تداخل با یکدیگر همزیستی داشتند.

با افزایش تعداد گونه ها یا تعاملات بین آنها، جوامع وارد مرحله دوم شدند که به عنوان (همزیستی جزئی پایدار) شناخته می شود. در این مرحله، جمعیت ها ثابت می مانند، اما برخی از گونه ها منقرض شدند. جامعه کلی در یک وضعیت پایدار باقی مانده است، به این معنی که پس از انقراض برخی گونه ها، جمعیت به حالت تعادل باز می گردد.

در نهایت، با افزایش تعداد گونه ها یا قدرت تعاملات، جوامع وارد مرحله سوم شدند که نوسانات شدیدتری در جمعیت داشت. اکوسیستم ها ناپایدار شدند، به این معنی که جمعیت ها به طور مداوم در طول زمان در نوسان هستند. در حالی که برخی از انقراض ها رخ داده است، این اکوسیستم ها تمایل دارند که بخش کلی بیشتری از گونه های باقی مانده داشته باشند.

با استفاده از این داده ها، محققان توانستند نمودار فازی را ترسیم کنند که چگونگی تغییر اکوسیستم ها را تنها بر اساس دو عامل توصیف می کند: تعداد گونه ها و قدرت تعامل بین آنها. این شبیه به این است که چگونه فیزیکدانان قادرند تغییرات در رفتار آب را تنها بر اساس دو شرط توصیف کنند: دما و فشار. دانش دقیق از سرعت و موقعیت دقیق هر مولکول آب لازم نیست.

در حالی که ما نمی توانیم به همه مکانیسم ها و پارامترهای بیولوژیکی در یک اکوسیستم پیچیده دسترسی داشته باشیم، نشان می دهیم که تنوع و پویایی آن ممکن است پدیده های نوظهوری باشد که می توان تنها از روی چند ویژگی کلی جامعه اکولوژیکی پیش بینی کرد.

ایجاد این نوع نمودار فازی می تواند به اکولوژیست ها کمک کند تا پیش بینی کنند که در اکوسیستم های طبیعی مانند جنگل ها چه اتفاقی می افتد، حتی با اطلاعات بسیار کمی، زیرا تنها چیزی که آنها باید بدانند تعداد گونه ها و میزان تعامل آنهاست.