Le coalizioni di governo spesso si sciolgono quando troppi partiti non sono d'accordo su troppe questioni. Anche se una coalizione sembra stabile da tempo, una piccola crisi può causare una reazione a catena che alla fine provoca il collasso del sistema. Uno studio condotto presso il Dipartimento di Fisica dell'Università Bar-Ilan dimostra che questo principio vale anche per gli ecosistemi, in particolare gli ecosistemi batterici.

In un ecosistema, specie diverse possono avere un effetto negativo l'una sull'altra. Il ghepardo, ad esempio, preda la zebra e gli alberi della giungla competono tra loro per la luce solare. Al contrario, le specie possono influenzarsi positivamente a vicenda, come l'ape che impollina i fiori. Negli anni '70, il famoso matematico e biologo Robert May predisse il collasso di coalizioni negli ecosistemi, come alberi nelle foreste pluviali, animali nelle savane o pesci nelle barriere coralline. Secondo May, un ecosistema può diventare instabile e collassare se contiene troppe specie o se le reti di connessioni tra di esse sono troppo intense. In altre parole, secondo la teoria di May, i piccoli ecosistemi in natura sono generalmente caratterizzati da legami forti, mentre i grandi sistemi sono caratterizzati da legami deboli. Finora la teoria di May è stata difficile da dimostrare a causa della difficoltà di misurare queste reti.

Nel nuovo studio, pubblicato su Nature Ecology &Evolution , Yogev Yonatan e Guy Amit del gruppo di ricerca del Dr. Amir Bashan del Dipartimento di Fisica della Bar-Ilan University, in collaborazione con il Dr. Yonatan Friedman dell'Università Ebraica, hanno dimostrato le prime prove della teoria di May negli ecosistemi microbici.

Il microbioma è di grande importanza per la nostra salute, come la digestione e l'assorbimento dei nutrienti e l'allenamento del nostro sistema immunitario. Le interruzioni dell'equilibrio ecologico sono associate a molti effetti negativi sul nostro benessere fisico e mentale, dall'obesità alle condizioni mentali e psichiatriche, e al rischio di malattie croniche come il diabete e il cancro. Alcuni interventi sono stati introdotti per mantenere un sano equilibrio includono elementi dietetici, assunzione di probiotici, antibiotici e trapianto fecale. Al di fuori del corpo umano, i batteri svolgono un ruolo fondamentale nella creazione delle condizioni di vita degli organismi più grandi. Sono necessari per la decomposizione dei nutrienti, la regolazione della produzione e la decomposizione dei gas nell'atmosfera, inclusi gas serra, metano, anidride carbonica e altro ancora.

I ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo computazionale che consente di stimare il livello di connettività nell'ecosistema (una misura del numero di connessioni nella rete e della loro forza) analizzando grandi quantità di dati da una varietà di comunità microbiche senza dover creare una mappa dettagliata di tutte le interazioni, analoga a come la temperatura di un bicchiere d'acqua può essere misurata senza una conoscenza completa della velocità e della posizione di ciascuna molecola d'acqua.

Inizialmente, i ricercatori hanno testato il nuovo metodo su dati simulati di dinamiche ecologiche. Successivamente, hanno analizzato i dati di migliaia di campioni di popolazioni batteriche provenienti da vari organi del corpo umano e da popolazioni batteriche che vivono sulle spugne marine nelle barriere coralline in vari siti in tutto il mondo. In ogni ambiente ecologico, hanno confrontato il numero di specie diverse nella popolazione batterica e il livello di connettività della rete ecologica, e hanno trovato prove iniziali dell'esistenza del principio di stabilità di Robert May in questi sistemi.

Comprendere i principi di stabilità delle comunità batteriche è importante per due motivi. I principi di stabilità sono le regole del gioco che dettano l'evoluzione dell'ecosistema in un particolare ambiente e aiutano a rispondere a domande scientifiche come il motivo per cui popolazioni batteriche diverse si sviluppano in luoghi diversi o perché il numero di specie differisce tra i luoghi. Un secondo motivo è che gli ecosistemi possono collassare a causa del disturbo dell'equilibrio ecologico in seguito all'intervento umano. Questo è vero per le barriere coralline in Australia e le foreste pluviali in Brasile, ed è anche vero per le popolazioni batteriche nell'uomo e nell'ambiente. È importante valutare quanto siano vicini al collasso questi sistemi in modo da sapere come evitare di danneggiarli e come possono essere riabilitati.

I risultati mostrano che il numero di diverse specie di batteri che possono sopravvivere nello stesso ambiente ecologico è limitato dalla forza delle interazioni tra di loro. Ad esempio, nell'intestino, dove c'è abbondanza di cibo per i batteri e una competizione meno intensa per le risorse, troviamo da decine a centinaia di diversi tipi di batteri. Il contrario si verifica in altri luoghi dove la concorrenza è feroce e il numero di specie è piccolo. Comprendere i principi di stabilità delle popolazioni batteriche è particolarmente importante quando siamo interessati a sviluppare trattamenti che includano tentativi di influenzare, modificare e controllare la loro composizione. Pertanto, la comprensione delle leggi ecologiche che regolano le popolazioni batteriche nell'uomo e nel mondo è molto importante sia per lo sviluppo delle cure mediche che per la conservazione dell'ambiente.

Il tema di questa ricerca, generalmente studiato dai ricercatori delle scienze della vita, è un esempio di una tendenza crescente negli ultimi anni verso la ricerca multidisciplinare, in cui problemi complessi vengono esplorati da esperti di varie discipline. In questo studio i fisici hanno utilizzato strumenti dei campi della fisica statistica, della dinamica non lineare, della scienza delle reti e della scienza dei dati per studiare problemi caratterizzati da grandi quantità di dati, di cui le reti nelle popolazioni batteriche o le diverse interazioni umane sono solo una parte.