Nová metoda předpovídání úspěšnosti invaze druhů do ekosystému

Když je nový druh zaveden do ekosystému, může se úspěšně etablovat, nebo se mu to nemusí podařit a vymře. Fyzikové z MIT vyvinuli vzorec, který dokáže předpovědět, který z těchto výsledků je pravděpodobnější.

Vědci vytvořili svůj vzorec na základě analýzy stovek různých scénářů, které modelovali pomocí populací půdních bakterií pěstovaných v laboratoři. Nyní plánují otestovat svůj vzorec ve větších ekosystémech, včetně lesů. Tento přístup by mohl být také užitečný při předpovídání, zda probiotika nebo léčba fekální mikrobiotou (FMT) úspěšně bojují proti infekcím lidského trávicího traktu.

„Lidé konzumují mnoho probiotik, ale mnohá z nich nedokážou vůbec vniknout do našeho střevního mikrobiomu, protože jejich zavedení ještě neznamená, že dokáží růst, kolonizovat a prospívat zdraví,“ říká Jiliang Hu SM '19, PhD '24, hlavní autor studie.

Profesorem fyziky na MIT Jeff Gore je hlavním autorem článku, který vyšel dnes v časopise Nature Ecology and Evolution. Matthieu Barbier, výzkumník z Plant Health Institute Montpellier, a Guy Bunin, profesor fyziky na Technionu, jsou také autory článku.

Fluktuace populace

Gorova laboratoř se specializuje na používání mikroorganismů k analyzování interakcí mezi druhy kontrolovaným způsobem v naději, že se dozví více o tom, jak se chovají přirozené ekosystémy. V předchozí práci tým použil bakteriální populace k prokázání, jak změny prostředí, ve kterém mikroby žijí, ovlivňují stabilitu komunit, které tvoří.

V této studii se vědci chtěli zabývat otázkou, co určuje, zda invaze nového druhu uspěje nebo selže. V přirozených komunitách ekologové předpokládali, že čím rozmanitější je ekosystém, tím více odolává invazi, protože většina ekologických nik bude již obsazena a pro vetřelce zbývá jen málo zdrojů.

V přírodních i experimentálních systémech však vědci pozorovali, že to není vždy pravda: Zatímco některé vysoce diverzifikované populace jsou odolné vůči invazi, jiné vysoce diverzifikované populace jsou náchylnější k invazi.

Aby prozkoumali, proč mohou nastat oba tyto výsledky, vědci vytvořili více než 400 komunit půdních bakterií, které byly všechny původní v půdě kolem MIT. Vědci vytvořili komunity 12 až 20 druhů bakterií a o šest dní později přidali jeden náhodně vybraný druh jako vetřelce. Dvanáctý den experimentu sekvenovali genomy všech bakterií, aby zjistili, zda se vetřelec etabloval v ekosystému.

V každé komunitě vědci také měnili hladiny živin v kultivačním médiu, na kterém se bakterie pěstovaly. Když byla hladina živin vysoká, mikroby vykazovaly silné interakce charakterizované zvýšenou konkurencí o potravu a další zdroje nebo vzájemnou inhibicí prostřednictvím mechanismů, jako jsou pH-zprostředkované účinky křížových toxinů. Některé z těchto populací vytvořily stabilní stavy, ve kterých se podíl jednotlivých mikrobů v průběhu času příliš neměnil, zatímco jiné vytvořily komunity, v nichž se většina druhů měnila v počtu.

Vědci zjistili, že tyto fluktuace byly nejdůležitějším faktorem výsledku invaze. Komunity s většími fluktuacemi měly tendenci být rozmanitější, ale byly také náchylnější k úspěšné invazi.

„Fluktuace není způsobena změnami v prostředí, ale je to vnitřní fluktuace způsobená interakcí druhů. A zjistili jsme, že fluktuující komunity jsou snadněji napadnuty a také rozmanitější než stabilní,“ říká Hu.

V některých populacích, kde se vetřelec etabloval, zůstaly i jiné druhy, ale v menším počtu. V jiných populacích byly některé původní druhy vytlačeny a zcela zmizely. Toto vytlačování mělo tendenci se častěji vyskytovat v ekosystémech, kde existovaly silnější konkurenční interakce mezi druhy.

V ekosystémech, které měly stabilnější, méně diverzifikované populace se silnějšími interakcemi mezi druhy, invaze s větší pravděpodobností selhaly.

Bez ohledu na to, zda byla komunita stabilní nebo fluktuující, vědci zjistili, že podíl původních druhů, které přežily v komunitě před invazí, předpovídá pravděpodobnost úspěchu invaze. Tento „podíl přežití“ by se dal odhadnout v přirozených komunitách tak, že se vezme poměr rozmanitosti v lokální komunitě (měřeno počtem druhů v dané oblasti) k regionální rozmanitosti (počet druhů nalezených v celém regionu).

„Bylo by vzrušující studovat, zda by se lokální a regionální rozmanitost dala použít k předpovědi náchylnosti k invazi v přirozených komunitách,“ říká Gore.

Předpovídání úspěchu

Vědci také zjistili, že za určitých okolností hrála roli v úspěchu invaze pořadí, v jakém druhy dorazily do ekosystému. Když byly interakce mezi druhy silné, šance, že se druh úspěšně začlení, klesly, když byl tento druh zaveden poté, co se již jiné druhy etablovaly.

Když jsou interakce slabé, tento „efekt priority“ zmizí a stejná stabilní rovnováha se dosáhne bez ohledu na pořadí, v jakém mikroby dorazily.

„V režimu silné interakce jsme zjistili, že vetřelec má určitou nevýhodu, protože dorazil později. To je v ekologii zajímavé, protože lidé vždy zjistili, že v některých případech záleží na pořadí, v jakém druhy dorazily, zatímco v jiných případech nezáleží,“ říká Hu.

Vědci nyní plánují pokusit se replikovat své poznatky v ekosystémech, pro které jsou k dispozici data o rozmanitosti druhů, včetně lidského střevního mikrobiomu. Jejich vzorec by jim mohl umožnit předpovědět úspěch probiotické léčby, při které se prospěšné bakterie konzumují ústně, nebo FMT, experimentální léčbě závažných infekcí, jako je C. difficile, při které se prospěšné bakterie z výkalů dárce transplantují do tlustého střeva pacienta.

„Invaze mohou být škodlivé nebo prospěšné v závislosti na kontextu,“ říká Hu. „V některých případech, jako u probiotik nebo FMT k léčbě infekce C. difficile, chceme, aby zdravé druhy úspěšně vnikly. Také pro ochranu půdy lidé zavádějí probiotika nebo prospěšné druhy do půdy. V tom případě chtějí lidé, aby vetřelci uspěli.“

Výzkum byl financován z Schmidt Polymath Award a Sloan Foundation.