Парадоксы в микробных экономиках

Микробы могут производить многие метаболические ресурсы, необходимые для выживания. Но из-за проницаемых клеточных стенок эти ресурсы могут вытекать в окружающую среду. Поскольку микробы часто живут в сообществах с другими типами микробов, они также могут поглощать ресурсы, выделенные другими. Кроме того, они могут реагировать на среду, меняя то, что и сколько производят. Этот обмен ресурсами — своего рода экономика, которую мы плохо понимаем.

В новой статье в Nature Communications три исследователя из Института Санта-Фе описывают три парадоксальные динамики, возникающие в простых микробных экономиках. Рассматривается сценарий самодостаточности, где два типа микробов производят ресурсы, ценные для себя и других.

Первый парадокс — «проклятие возросшей эффективности». Он возникает, когда Организм A намного эффективнее производит определенный метаболит, чем Организм B. Тогда у Организма B нет стимула производить этот метаболит, и он прекращает. В результате Организм B может размножаться быстрее, а более эффективный производитель, Организм A, со временем составляет меньшую долю популяции.

Второй парадокс — «проклятие снизившейся неэффективности». Организмы могут стать лучше в производстве ресурса, но вся популяция в целом будет расти медленнее.

«Это происходит потому, что это приводит к отсутствию специализации, когда организм производит оба ресурса, — говорит Эрик Либби, соавтор исследования. — Сообщество в целом становится менее эффективным и растет медленнее».

Первые два парадокса предполагают, что два типа клеток принимают метаболические решения независимо. Третий — в основном теоретическое «проклятие контроля» — предполагает, что один микроб может манипулировать другим, заставляя следовать определенной стратегии. Манипулятор может изначально увеличить свою долю в общей популяции, но в конечном итоге терпит долгосрочные потери. «В зависимости от длительности ассоциации может быть выгоднее конкурировать с другим микробом, чем эксплуатировать его», — пишут авторы.

Понимание парадоксов микробных экономик может быть важно для работы с искусственными микробными сообществами и лучшего понимания микробиомов. На первый взгляд может казаться очевидным, какие микробы выиграют от определенных стратегий в этих метаболических экономиках. Но внешность, оказывается, может обманывать.