Бактериальные сообщества помогают предсказывать будущие изменения

Контролируемый лабораторный подход вместе с компьютерным моделированием позволил исследователям из KAUST показать, что бактериальные сообщества могут равномерно распределяться в водных экосистемах даже при медленном течении воды и сохранении их предпочитаемых локальных условий.

Бактериальные сообщества — фундаментальная часть водных экосистем (океаны, озера, реки). Они составляют большую часть биомассы экосистемы и управляют циклами углерода и питательных веществ. Понимание того, как эти сообщества меняются, может помочь предсказать изменения во всей экосистеме в свете изменения климата.

В экосистеме существуют разнообразные метасообщества из нескольких штаммов бактерий, которые локализуются или смешиваются в зависимости от условий, способствующих их росту (определенный температурный диапазон, кислотность, соленость). Естественное движение системы, например течение воды, также играет роль.

Экологи давно задавались вопросом, что именно вызывает гомогенизацию этих метасообществ — состояние, при котором бактериальные сообщества по всей экосистеме имеют схожий состав и структуру. Предполагалось, что гомогенизация происходит при очень высокой физической подвижности системы (например, в быстрых реках), что вызывает высокую скорость расселения бактерий и физическое смешивание сред их обитания.

Исследователи выяснили, что гомогенизация происходит не только при высоких скоростях расселения, но и при низких.

Команда разработала лабораторный эксперимент, чтобы преодолеть сложность изучения изменений бактериальных сообществ в естественной среде с течением времени. Были выбраны три легко различимых штамма бактерий, оптимально растущих при разных температурах. Их смешали в равных количествах, создав несколько идентичных сообществ. По одному такому сообществу поместили в три соединенных колбы, между которыми среда могла течь с четырьмя разными скоростями. Температура в каждой колбе была установлена так, чтобы благоприятствовать росту одного из трех штаммов.

Гомогенизация бактериальных сообществ произошла на всех скоростях, кроме самой медленной, даже когда температуры в колбах менялись лишь незначительно. Затем было проведено 100 компьютерных симуляций с разной скоростью потока на основе полученных данных. Это позволило определить точную скорость потока (3.85 микролитра в секунду), при которой происходила гомогенизация внутри каждой из трех колб.

Сейчас команда работает над аналогичным экспериментальным подходом, чтобы ответить на другие вопросы микробной экологии, например, как количественно оценить влияние случайных изменений на бактериальные популяции с течением времени.