Un model mecanistic poate prezice dezvoltarea comunităților biologice în ecosisteme
Dezvoltarea comunităților biologice este un proces complex și adesea instabil. Compoziția acestora se schimbă constant, influențată de condițiile de mediu specifice fiecărui ecosistem. Uneori, aceste schimbări sunt atât de profunde încât specii întregi dispar complet dintr-o comunitate. Pentru a anticipa aceste evoluții, cercetătorii se bazează pe modele ecologice, dintre care cele mai promițătoare sunt modelele mecaniste. Acestea sunt construite pe baza mecanismelor biologice fundamentale care determină coexistarea diferitelor specii, având potențialul de a prezice cu acuratețe compoziția comunităților biologice în habitate variate.
Un grup de cercetători de la Universitatea din Konstanz a decis să testeze efectiv aceste modele în comunități de alge de apă dulce. Studiul lor, publicat în revista Nature Communications, explorează și testează un model mecanic de tip consumator-resursă, confirmând astfel capacitatea sa predictivă ridicată.
Îmbunătățirea regulilor de coexistare a speciilor
Utilizând modelul, cercetătorii au reușit să rafineze regulile existente pentru coexistenta speciilor. Descoperirile lor pot fi aplicate în orice situație în care comunitățile de organisme concurează pentru resurse, ajutând la prezicerea sau influențarea viitoarei dezvoltări a acestora. Spectrul aplicațiilor acoperă atât comunități biologice naturale, cum ar fi cele de plancton oceanic sau microbiomul intestinal uman, cât și comunități artificiale utilizate în procese biotehnologice.
Inovația tehnologică care a facilitat studiul
Fundamentele teoretice pentru acest studiu au fost parțial stabilite încă din anii ’60. De ce abia acum a fost posibilă testarea acestora? Lutz Becks, profesor de limnologie la Universitatea din Konstanz și conducător al studiului, menționează că au fost necesare un număr extrem de mare de experimente pentru a finaliza o analiză cuprinzătoare a modelului, lucru ce poate fi realizat într-o perioadă rezonabilă datorită echipamentelor de laborator moderne.
Chiar și prima etapă a studiului, în care cercetătorii au determinat cerințele nutriționale și consumul diferitelor specii de alge de apă dulce, a necesitat realizarea a 864 de experimente de creștere. Datorită echipamentelor de laborator de înaltă tehnologie, fiecare monocultură a fost pregătită de un robot de laborator, eliminând astfel necesitatea unei echipe numerose de studenți și tehnicieni. Numărul algelor din mostre a fost, de asemenea, determinat automat printr-un microscop modern cu capacitate mare de procesare.
Corelarea predicțiilor cu realitatea
După colectarea datelor din experimentele inițiale, cercetătorii au extins modelul existent. Deși modelul convențional lua în calcul factorii care limitează creșterea speciilor, noile date au permis introducerea utilizării resurselor ca un parametru adițional. Ulterior, echipa a realizat 960 de experimente suplimentare, combinând algele crescute anterior în monocultură pentru a examina diferite combinații de specii în condiții nutriționale variate. Comparând evoluția observată a comunităților cu predicțiile modelului, au constatat că acesta prezice cu o precizie ridicată compoziția diferitelor comunități.
Reguli ecologice testate prin simulări
Cercetătorii au realizat, de asemenea, simulări pe computer bazate pe modelul lor pentru a testa două reguli ecologice formulate de biologul David Tilman. Aceste reguli explică modul în care două specii care concurează pentru resurse limitate pot coexista sau se pot înlocui reciproc. Regalele afirmă că fiecare specie trebuie să fie limitată de resurse diferite și că fiecare specie consumă mai mult din resursa care îi limitează creșterea. Simulările au demonstrat că doar prima regulă este universal valabilă, în timp ce a doua se aplică doar atunci când speciile concurează pentru resurse regenerabile, dar nu pentru cele esențiale.
Utilizări viitoare pentru protecția climei
Următorul pas va fi aplicarea abordării dezvoltate în cadrul unui proiect dedicat sechestrării CO₂ prin fitoplancton, sprijinit de programul Vector Stiftung pentru promovarea cercetărilor în protecția climei. Lutz Becks colaborează cu Daniel Dietrich pentru a identifica comunitățile de fitoplancton care sunt cât mai rezistente la influențele de mediu, având potențialul de a metaboliza și sechestra CO₂ din atmosferă, chiar și în condiții variate de mediu, cum ar fi disponibilitatea nutrienților, temperatura sau radiația solară.
