Un modello matematico creato dai ricercatori dell'Università dell'Illinois potrebbe aiutare gli scienziati a comprendere meglio una caratteristica intrigante delle comunità microbiche:la loro capacità di raggiungere la stabilità nonostante siano così diverse.

Le comunità microbiche sono gruppi di microrganismi che esistono in una varietà di ambienti:nel suolo, negli oceani, e nei nostri corpi. Sebbene queste comunità siano complesse e diverse, sono in grado di formare ecosistemi stabili.

La stabilità può essere definita come il modo in cui la comunità gestisce il cambiamento. Le comunità stabili sono in grado di resistere a un cambiamento nell'apporto di nutrienti o all'invasione di una nuova specie. Le comunità meno stabili sono inclini a cambiare di fronte a queste interruzioni.

Sergei Maslov, uno studioso della Facoltà di Bliss, professore di bioingegneria, e un membro della facoltà nel tema della biocomplessità presso il Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, e Akshit Goyal, uno studioso in visita dal Simons Center for the Study of Living Machines presso NCBS, a Bangalore, India, hanno precedentemente collaborato a un modello predittivo per misurare la stabilità della comunità microbica basato su un concetto economico chiamato "problema del matrimonio stabile" come pubblicato in Il Giornale ISME . Di recente hanno creato un modello matematico per comprendere ulteriormente come funzionano le comunità microbiche e mantengono la stabilità.

"Hai centinaia, se non migliaia, di specie che coesistono nello stesso piccolo volume, " Ha detto Maslov. "E 'quasi come una foresta pluviale in miniatura."

Il loro studio, pubblicato in Lettere di revisione fisica , è stato riconosciuto come la scelta di un editore nella rivista e accompagnato da un popolare articolo di APS Focus.

Il loro lavoro affronta tre aspetti distintivi delle comunità microbiche. La prima è la diversità, la quantità di specie che coesistono nella comunità. Il secondo è la stabilità, e il terzo è la riproducibilità, che è la frequenza con cui una particolare specie sarà presente in una comunità.

Maslov paragona di nuovo questo aspetto a una foresta pluviale. Una foresta pluviale in Sud America e una foresta pluviale in Africa potrebbero sembrare simili, ma ognuno contiene specie diverse. Ha senso che sia così:è improbabile che una specie nativa dell'Africa migri in Sud America.

"Nelle comunità microbiche, non possiamo fare questo ragionamento, " Ha detto Maslov. "Tutti i microbi, abbastanza spesso, vengono trasportati da un luogo all'altro, eppure puoi avere diversi gruppi di specie in zone di terreno vicine."

Il loro modello ha considerato questo per cercare di capire quali specie sono sempre universalmente condivise nelle comunità microbiche, e quali specie sono uniche.

Hanno scoperto che un ingrediente chiave nel loro modello era un processo noto come alimentazione incrociata. I microbi consumano sostanze nutritive e quindi espellono i sottoprodotti metabolici, che ritornano nello spazio condiviso della comunità microbica e vengono consumati da altri microbi.

"Quello che vediamo nel nostro modello è l'emergere di più livelli di consumo di un nutriente, " Ha detto Maslov. "Alcuni microbi sono al livello più alto, dove possono accedere direttamente al nutriente fornito dall'esterno. Alcuni altri microbi sono specializzati in qualunque cosa sia un prodotto di scarto di questo primo microbio, e così via."

Maslov e Goyal volevano vedere quanti livelli di consumo potevano coesistere in una comunità, e ha scoperto che dipende da quanto velocemente crescono i microbi:una crescita lenta promuove una maggiore diversità e un maggior numero di livelli.

Un altro fattore importante nella capacità di funzionamento della comunità è la maturità dell'ecosistema. Gli ecosistemi maturi contengono più specie, e queste specie sono più efficienti nell'utilizzare le loro risorse. Hanno usato il loro modello per caratterizzare quanto tempo è necessario per descrivere una comunità come un ecosistema maturo.

"Stiamo cercando di capire cosa rende stabili particolari stati, e quanti di questi stati stabili ci sono là fuori, "Maslov ha detto. "Qual è la gamma di perturbazioni che uno stato può tollerare prima di cambiarlo in qualcos'altro o crollare insieme?"

Questo lavoro ha implicazioni per gli ecosistemi più grandi in tutto il mondo.

"Ovviamente vogliamo capire la stabilità dal punto di vista che stiamo perturbando l'ambiente in un modo senza precedenti, " Ha detto Maslov. "Vogliamo capire fino a che punto possiamo spingerci prima che tutto crolli".

Se gli scienziati possono capirlo meglio, potranno un giorno imparare a controllare gli ecosistemi microbici. Per esempio, un microbioma del suolo potrebbe forse essere cambiato in uno stato diverso aggiungendo microbi o sostanze nutritive. Poiché i sistemi sono così complessi e diversificati, questo è attualmente impossibile da raggiungere.

"Ecco perché il nostro Santo Graal, in questo e nel futuro lavoro, è essere in grado di controllare in modo prevedibile e affidabile le transizioni dell'ecosistema dallo stato in cui si trova allo stato in cui vogliamo che sia, " Ha detto Maslov. "Vogliamo essere in grado di farlo senza in realtà avere qualche crollo".