Механистическая модель предсказывает развитие биологических сообществ в разных экосистемах

Биологические сообщества редко стабильны. Их состав постоянно меняется в зависимости от условий окружающей среды, и иногда изменения настолько велики, что отдельные виды полностью исчезают. Для прогнозирования таких изменений ученые используют экологические модели. Наиболее перспективны механистические модели, основанные на фундаментальных биологических механизмах, определяющих сосуществование видов. Такие модели потенциально могут надежно предсказывать состав сообществ в разных средах обитания.

Исследователи из Констанцского университета проверили, насколько эти модели соответствуют эмпирическим данным, на примере сообществ пресноводных водорослей. В исследовании, опубликованном в Nature Communications, команда доработала и протестировала механистическую модель "потребитель-ресурс" и подтвердила ее высокую прогностическую способность.

С помощью модели ученые также уточнили существующие правила сосуществования видов. Их выводы применимы к любым ситуациям, где сообщества организмов конкурируют за ресурсы и где необходимо предсказать или повлиять на их будущее развитие — от природных сообществ (океанический планктон, кишечный микробиом) до искусственных, используемых в биотехнологических процессах.

Возможности современных методов

Теоретическая основа исследования была частично заложена еще в 1960-х годах. Провести его экспериментально стало возможным только сейчас благодаря современному лабораторному оборудованию.

Первый этап — определение потребностей в питательных веществах и их потребления разными видами водорослей — потребовал 864 экспериментов по росту. Каждую монокультуру готовил лабораторный робот, а подсчет клеток водорослей проводился автоматически с помощью высокопроизводительного микроскопа. В экспериментах с сообществами для идентификации видов водорослей использовался искусственный интеллект.

Прогноз и реальность совпали

Полученные данные позволили расширить существующую модель. «Классическая модель уже учитывала факторы, ограничивающие рост видов. Наши новые данные позволили добавить в модель использование ресурсов как дополнительный параметр», — объясняет руководитель исследования, профессор Лутц Бекс.

Затем исследователи провели 960 экспериментов, объединяя водоросли, ранее выращенные в монокультуре, в разных комбинациях и при разных условиях питания. Наблюдаемое развитие сообществ сравнили с прогнозами модели. Результат: механистическая модель с высокой точностью предсказала состав различных сообществ.

Ученые также провели компьютерное моделирование, чтобы проверить два экологических правила, сформулированных биологом Дэвидом Тилманом, которые объясняют, как два конкурирующих за ограниченные ресурсы вида либо сосуществуют, либо вытесняют друг друга.

Правила гласят:

1. Каждый вид должен быть ограничен разными ресурсами.
2. Каждый вид потребляет больше того ресурса, который ограничивает его рост.

Симуляции показали: универсально верно только первое правило. Второе правило применимо только тогда, когда виды конкурируют за взаимозаменяемые ресурсы, но не за незаменимые (эссенциальные).

«Применяя это правило, мы всегда должны различать эти два класса питательных веществ», — поясняет первый автор исследования Чжицзе Чжан.

Применение для защиты климата

В следующем шаге разработанный подход будет применен в проекте по секвестрации CO₂ с помощью фитопланктона. Проект поддерживается программой Vector Stiftung по финансированию исследований, способствующих защите климата.

«Вместе с коллегой Даниэлем Дитрихом мы используем наш скрининг для выявления сообществ фитопланктона, максимально устойчивых к воздействиям окружающей среды. Такие сообщества можно будет использовать для надежного метаболизма — и, следовательно, связывания — CO₂ из атмосферы даже в условиях изменчивости таких факторов, как доступность питательных веществ, температура или солнечная радиация», — прогнозирует Лутц Бекс.