|
Как микробные сообщества формируют жизнь на Земле
|
|
|
|
Микробные сообщества — обширные экосистемы, изобилующие миллионами различных клеток разных видов — играют фундаментальную роль в жизни на Земле, от производства кислорода до содействия пищеварению. Несмотря на их важность, ученым было непросто полностью понять, как формируются и функционируют эти сложные сообщества.
|
|
|
|
Но в новом исследовании я и мои коллеги разработали новую математическую модель, призванную объяснить, как возникают взаимоотношения между микробами. Лучше понимая эти сообщества, мы могли бы лучше защищать их и управлять ими, что может иметь серьезные последствия для здоровья нашей планеты.
|
|
|
|
Большая часть нашего понимания микробиомов — коллекций из тысяч микробов, обитающих в различных средах и организмах, — основана на исследованиях различий между ними. Исследователи часто исследуют экологические и эволюционные факторы, которые, по-видимому, формируют эти микробные сообщества.
|
|
|
|
Но было трудно определить, действительно ли эти факторы вызывают различия или это просто совпадение. Вот почему так важно понять истинные факторы, стоящие за формированием микробиома. Это помогает нам понять, почему существуют эти сообщества и как они функционируют.
|
|
|
|
|
|
|
Если вы, как и я, когда-либо восхищались растениями и животными, процветающими в природе, вы видели экологические и эволюционные силы в действии, как это делал Чарльз Дарвин в 19 веке. Те же принципы, которые управляют этими крупными экосистемами, применимы и к микробному миру.
|
|
|
|
Итак, для нашего исследования мы с коллегами воспользовались книгой Дарвина. Мы изучили экологические и эволюционные факторы, которые могли привести к формированию столь разнообразных микробиомов у многих многоклеточных организмов. К ним относились морские губки, насекомые, люди и кальмары. То, что мы обнаружили, поразительно. Несмотря на огромные различия между видами, к их микробиомам применимы одни и те же основные правила.
|
|
|
|
Например, способность микробов перемещаться из одной среды в другую и быстрый темп их эволюции являются важными факторами, определяющими, где они обитают, будь то в корнях растений или в кишечнике животных. Конечно, есть исключения. Например, у гигантских и красных панд диета играет жизненно важную роль в формировании кишечных микробов, в то время как некоторые растения, такие как маленький арабидопсис brassica, контролируют микробиом своих корней с помощью химических средств защиты.
|
|
|
|
Как только мы определили эти механизмы, задача состояла в том, чтобы систематизировать наши знания в единую структуру. Это похоже на то, что сделал Дарвин со своей теорией эволюции путем естественного отбора. И вот тут в дело вступила математика.
|
|
|
|
Математика необходима для нашего понимания окружающего мира, независимо от того, говорим ли мы о квантовой механике или о сложностях самой жизни. Применяя математические модели, мы могли бы разобраться в сложных факторах, формирующих микробиомы.
|
|
Новая модель микробных экосистем
|
|
|
|
Наша концепция помогает объяснить загадочные наблюдения, например, почему некоторые морские губки кишат микробами, в то время как в других их всего несколько. Наше исследование уникально тем, что впервые позволяет нам целостно рассмотреть эти сложные симбиотические отношения. Она объединяет как экологический, так и эволюционный подходы. Мы надеемся, что наша концепция ляжет в основу будущих исследований, посвященных изучению других микробных экосистем.
|
|
|
|
В настоящее время мы расширяем наши исследования морских губок, изучая, как обмен продуктами метаболизма (такими как витамины и аминокислоты) между микробами влияет на структуру их сообщества. Гибкость нашей системы означает, что ее можно адаптировать для изучения различных систем. Это могло бы помочь глубже понять взаимодействие между микробами и их хозяевами.
|
|
|
|
Такой количественный подход имеет решающее значение, поскольку люди продолжают оказывать влияние на наши природные экосистемы. Это могло бы помочь нам найти решения этих проблем.
|
|
|
|
Например, недавно мы продемонстрировали, как изучение микробиома может улучшить усилия по сохранению коралловых рифов, изучая микробные сети, которые поддерживают заселение кораллов. Манипулируя этими сетями, мы могли бы более эффективно восстанавливать популяции кораллов.
|
|
|
|
Конечно, проблемы остаются. Например, мы до сих пор не понимаем, что такое спячка микроорганизмов, которую некоторые микробы используют в стрессовых ситуациях. Они снижают свою активность и в то же время повышают устойчивость к суровым внешним условиям. Это немного похоже на зимнюю спячку медведей, чтобы избежать зимы.
|
|
|
|
Несмотря на подобные проблемы, мы с оптимизмом смотрим на то, что математические основы, подобные нашей, проложат путь к будущим открытиям. Это может продвинуть наше понимание экосистем, как больших, так и малых — от микробиомов до крупных экосистем, включающих растения и животных. Это, в свою очередь, может помочь раскрыть тайны мира природы. Эти знания могут быть использованы для сохранения биоразнообразия для будущих поколений.
|
|
|
|
Источник
|
