Борьба за еду привела к устойчивости и разнообразию микробных экосистем
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.
Ученые утверждают, что через какое-то время после зарождения колонии с единственным видом в такой системе естественным образом повышается устойчивость. Это происходит в результате появления большого числа новых видов и нескольких перегруппировок, так что в конечном устойчивом состоянии общее число видов микроорганизмов может доходить до тысячи. Для стационарного режима существования такой микробной экосистемы характерны примерно постоянные: число видов бактерий, количественное соотношением между их долями в системе и общая численность колонии.
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.
Биологи отмечают, что в предложенной ими модели конкурентная борьба между различными видами или симбиотические процессы не рассматриваются непосредственно, а все взаимодействие происходит только через среду с изменяющейся концентрацией питательных веществ. Даже этого оказывается достаточно для объяснения устойчивого функционирования экосистем, состоящих из нескольких сотен видов.
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
Это поможет добывать руду и обрабатывать ядерные отходы
Европейские физики теоретически и экспериментально исследовали цикличные процессы всплытия и опускания на дно зерен арахиса в пиве, который называют «танец арахиса». Для этого они в течение двух с половиной часов снимали на камеру этот процесс в лаборатории. Анализируя эти результаты, ученые выяснили, что танец происходит из-за поверхностных свойств арахиса, на которых образование пузырьков предпочтительнее, чем на стенках стакана. Исследование опубликовано в Royal Society Open Science. В России распространен фокус, который показывают на вечеринках с шампанским. Для этого в полный бокал игристого напитка бросают изюминку, кусочек ананаса или дольку шоколада. Брошенное в жидкость тело сначала тонет, но затем всплывает под действием пузырьков газа, зародившихся на его краях. У поверхности пузырьки разрушаются и цикл повторяется. В аргентинских барах существует такая же традиция, только вместо шампанского там используют пиво, а вместо изюма — арахис. Там этот трюк получил название «танец арахиса». Несмотря на качественное понимание такого танца, физики плохо понимают его детали. Вместе с тем, такие процессы происходят не только на вечеринках или в барах, но и в природе: предполагается, что именно так плотный магнетит всплывает в магме. Похожим же образом горняки отделяют железо от руды. Разобраться в этом вопросе решили Луис Перейра (Luiz Pereira) из Университета Людвига Максимилиана и его коллеги из Англии, Германии и Франции. Для этого они провели экспериментальны с арахисом в пиве и подтвердили их результаты численными вычислениями. Физики наполняли резервуар размером 100 × 100 × 200 миллиметров одним литром лагера и опускали в него 13 обжаренных зерен арахиса Arachis hypogaea. Весь процесс они снимали на цифровую камеру. На начальном этапе все зерна плавали на поверхности из-за активного образования пузырей в перенасыщенном углекислом газом пиве. Примерно через 25-30 минут количество пузырьков уменьшалось и арахис начинал цикличное движение вверх и вниз под действием описанного выше механизма. Танец всех зерен прекратился примерно через 150 минут после начала эксперимента — количество газа, растворенного в пиве, опустилось ниже пороговой отметки. Для анализа результатов эксперимента авторы разбили задачу на три части: зарождение пузырьков, плавучесть и цикличность. Для этого им потребовалось знать капиллярные свойства системы, такие как плотность пива и газа, поверхностное натяжение, углы смачивания и так далее. Первое они рассчитали с помощью пивного онлайн калькулятора, второй — взяли из литературы, а для получения информации об углах ученым потребовалось провести дополнительные эксперименты по смачиванию пива стеклом и плоской частью арахиса. В результате физики смогли воспроизвести основные особенности поведения арахиса в пиве, которые они увидели в эксперименте. Так, они доказали, что арахис обладает поверхностью, на которой образование пузырей энергетически более выгодно, чем на стенках стакана. Если бы это было не так, танец арахиса был бы невозможен. Ученые отмечают, что арахис в пиве может служить модельной системой не только для задач геологии и добычи полезных ископаемых, но и в обработке ядерных отходов. Один литр пива — это не так много, когда речь идет о физическом эксперименте (впрочем, не только). То ли дело 30 литров! Именно столько потратили физики из Германии и Кореи, изучая стабильностью пивной пены при розливе «снизу-вверх».