Исследования пекарских дрожжей имеют значение для экологии
Физик, математик и экономист заходят в пекарню. Это звучит как начало остроумной шутки, но для Джеффа Гора, доцента физики MIT, это стало началом карьеры.
Гор — физик, математик и экономист — использует наблюдения за поведением пекарских дрожжей (Saccharomyces cerevisiae), чтобы переводить сложные теории об эволюции и экологии в практические индикаторы, сигнализирующие о приближении экосистемы к критическому изменению. Его работа уже помогает полевым биологам и экологам обнаруживать и реагировать на тревожные экологические тенденции, такие как исчезновение рыбных запасов и коллапс колоний медоносных пчёл.
"Есть много красивых идей в теоретической экологии, но их сложно проверить экспериментально. Мы видим возможность использовать наши удобные для экспериментов микробные сообщества для проведения теоретически мотивированных опытов", — говорит Гор.
Подход Гора к изучению экологии и эволюции основан на идее, что сложные системы, такие как популяции живых организмов, следуют универсальным паттернам поведения. Эти паттерны можно выразить математическими формулами, которые демонстрируют особые свойства, например, устойчивые состояния и точки бифуркации (переломные моменты).
Точка бифуркации — это критический момент изменения, например, когда популяция организмов, сотрудничающих для выживания, становится слишком мала для поддержания себя. Пекарские дрожжи коллективно расщепляют сахарозу на более простые сахара, которые используются как топливо. Эта командная работа стабилизирует популяцию. "Но если популяция становится слишком маленькой, она не может расщепить достаточно сахара, чтобы выжить. Популяция коллапсирует", — объясняет Гор.
Исследования Гора процветающих и находящихся под давлением колоний дрожжей выявили характерные признаки того, что колония находится на грани коллапса. В одном исследовании было обнаружено, что колонии, приближающиеся к точке бифуркации, дольше восстанавливаются после стрессовых воздействий, таких как приток соли, замедляющий рост. "Время восстановления увеличивается по мере приближения к точке бифуркации. Мы можем измерить это в лаборатории на дрожжах", — говорит Гор.
Это замедление восстановления — не уникальное явление для дрожжей. Оно будет происходить в любых популяциях с аналогичной основой кооперации: стаях волков, совместно охотящихся; косяках рыб или колониях пчёл. Из-за этой универсальности замедление восстановления может стать ранним предупреждением о приближении коллапса популяции. "Возможно, предвидеть приближение переломного момента до того, как мы пересечём этот порог. Это важно, потому что после пересечения порога ситуацию может быть очень трудно обратить вспять", — отмечает Гор.
В настоящее время Гор и аспирант Лей Дай начали применять эти выводы в сотрудничестве с биологом Кристиной Грозингер из Университета Пенсильвании, изучающей медоносных пчёл. Колонии пчёл по всему миру гибнут с угрожающей скоростью. В неопубликованной работе исследователи обнаружили, что для выживания колонии медоносных пчёл необходим критический размер популяции. "Более мелкие колонии все гибнут", — говорит Гор.
Эта работа — первый шаг к применению предупреждающих знаков, которые Гор видит у дрожжей, к природным экосистемам и даже сложным биологическим системам, таким как раковая опухоль. "В зависимости от популяции, о которой идёт речь, вы либо хотите, чтобы она коллапсировала, либо нет. В случае опухоли — хотим", — говорит он.
Чтобы лабораторные эксперименты больше походили на природные экосистемы, Гор начинает работать с микробными сообществами, состоящими из нескольких видов. "Мы хотим понять, как динамика разыгрывается в более сложных сообществах", — заключает он.