Микробы могут кардинально изменить среду, а затем исчезнуть

Когда новый вид без естественных врагов попадает в среду, он может бесконтрольно размножаться и трансформировать экосистему. Менее изучен сценарий, когда захватчик прибывает, меняет экосистему, а затем вымирает.

Физики из MIT показали, как такие «транзитные захватчики» действуют в бактериальных популяциях, провоцируя переход от одного стабильного состояния сообщества к другому, при этом сам захватчик исчезает.

«Эти результаты показывают, что даже если вид не выживает в долгосрочной перспективе, он всё равно может иметь долгосрочные последствия для сообщества», — говорит Джефф Гор, старший автор исследования.

Результаты могут пролить свет на влияние транзитных захватчиков в реальных экосистемах, например, бактерий, временно меняющих микробиом кишечника, или оленей, которые выедают растительность на острове до такой степени, что сами не могут там выжить.

Смена стабильных состояний

Исследователи изучали, как экосистемы переключаются между альтернативными стабильными состояниями. Они создали упрощённую модель в лаборатории, используя два вида бактерий — Corynebacterium ammoniagenes и Lactobacillus plantarum. Эти виды взаимно подавляют рост друг друга, изменяя pH среды, что приводит к двум альтернативным состояниям сообщества, где доминирует один из видов.

После стабилизации сообщества учёные вводили в него бактерию-захватчика. Из шести изученных видов три совершили «временное вторжение»: они спровоцировали сдвиг в популяционной динамике, а затем вымерли.

Механизм смены состояний:

1. В исходном стабильном состоянии L. plantarum закисляет среду, сдерживая рост C. ammoniagenes.
2. Захватчик, который хорошо растёт в кислой среде, быстро размножается.
3. Однако его быстрый рост производит метаболиты, повышающие pH, делая среду менее благоприятной как для него самого, так и для L. plantarum.
4. В результате C. ammoniagenes захватывает доминирование, а захватчик исчезает.

Эксперименты с бактериями из естественных почвенных сообществ показали аналогичные паттерны, что говорит о распространённости этого явления в природе.

Экологическое «самоубийство»

Явление, при котором вид создаёт условия для собственной гибели, может встречаться в природе часто. В 2018 году Гор и коллеги описали бактерии, которые совершают «экологическое самоубийство», стремительно размножаясь и настолько загрязняя среду кислыми отходами, что сами не могут выжить.

Это происходит отчасти потому, что генетические мутации, позволяющие особи быстро расти, могут быстро распространяться в популяции, даже если это вредит окружающей среде.

«Проблема в том, что хотя в краткосрочной перспективе для каждой особи рационально вести себя так, это приводит к неоптимальному исходу для популяции», — отмечает Гор.

Исследователи надеются, что их работа побудит учёных, изучающих более сложные экосистемы (озёра, микробиом кишечника), искать подобные эффекты временных вторжений.