熱帯雨林、サバンナ、または静かな湖の美しい外観の背後には、コンテストやパートナーシップに満ちた世界があります。種はスペースをめぐって競争し、資源を求めて互いに消費し、互いの才能を利用し、栄養素の取引を仲介しています.しかし、この写真には何かおかしいものがあります。生態学者が数学を使って生態系をモデル化しようとすると、種間の相互作用が多いほどシステムが不安定になることがわかります。単純な生態系モデルが安定しているためには、その種間のすべての相互作用が完全に調和していなければなりません。しかし、結合する種の数とそれらの相互作用の強さが増加するにつれて、そのバランスをとる行為を維持することははるかに難しくなります.1つのカップルの乱れや不均衡は外側に波及し、ネットワーク全体に混乱の種をまきます.
相利共生、種が互いの生存に直接貢献する関係を持ち込むと、物事は本当にハンドルから飛び出す可能性があります。互いに離れて暮らす生物のペアは、数学的なシミュレーションで非常にうまく機能することがあり、極端な場合には指数関数的に繁栄し、理論生態学のパイオニアであるロバート・メイがかつて「相互利益の乱交」と呼んだものでは、他のすべてが絶滅する可能性があります。
実際の生態系がこれほどもろいものであるとは思えません。 Nature Communications の新しい論文で 、イリノイ大学の理論生態学者のペアは、相利共生におけるギブアンドテイクが生態系の安定にどのように影響し、適切な条件下でどのように貢献するかをより正確に調査しました.彼らの結果は、現実世界のコミュニティがモデルが示唆するよりも回復力を維持する方法を示唆する以前の研究に加わります。
研究者は、モデリング研究でより現実的な結果を得るために矛盾を回避する方法を学びましたが、理論生態学者でイリノイ大学の准教授であるジェームズ・オドワイヤーによると、最近、相利共生の問題が新たな緊急性を帯びています。博士課程の学生の 1 人であるステイシー バトラーと論文を共同執筆したアーバナ シャンペーン博士。微生物群集がどのように一般的であるか、またそれらが健康にとってどれほど重要であるかについての知識が深まるにつれて、それらをモデル化する方法を見つけることがより急務になっています.
「リソースの交換が行われるクロスフィーディング相互作用が多い大規模な微生物群集には、多くの強力な相利共生相互作用があるはずです」と彼は言いました。従来のモデルでは、これは非常に不安定なシステムになりますが、安定性はこれらのコミュニティの特徴であると考えられています。腸内微生物叢は、健康な期間中は特に安定しており、変動は病気と一致します。
O’Dwyer と Butler は研究のために、微生物の生態系への栄養素の流れを表現する中で、生物が生まれ、繁殖し、他の場所から届く資源を消費し、競合しながら死ぬというモデルを最初に構築しました。研究者たちは、生物がさまざまな種類の資源に対して持っていた好みを特定しました。 「このバクテリアは、この炭素源ではよりよく成長しますが、別の炭素源では少し悪くなると想像できます。したがって、前者を好むでしょう」と、シカゴ大学の理論生態学者であるステファノ・アレシナは説明しました。公開のためにレビューしました。栄養素の流入と死亡率の特定の値については、安定した生態系が出現しました.
次に、オドワイヤーとバトラーは、有機体が外部資源だけでなく、互いの副産物を食べているように指示することで相利共生を導入しました。予想通り、相利共生主義はシステムに不安定な影響を及ぼしました。しかし、重要な例外は、相利共生は対称的でなければならないと研究者が指定した場合、つまりパートナーシップの各当事者が同じ金額を寄付した場合でした.その場合、システムは安定に戻りました。
Allesina によると、この発見を興味深いものにしているのは、以前の研究では、2 つの当事者が等しく恩恵を受けない相利共生は、両方の種の拡大をそれほど乱暴に推進しないため、一般的により安定していると考えられていたことです。
相利共生の完全なバランスは、相利共生の不安定化の影響に対する要求が厳しく、ありそうもない解決策のように思えます。 「彼らは、相利共生の多様で安定したコミュニティを維持できる特別なケースを見つけています。しかし、相互作用の性質については非常に厳しい要件があります」と、現在ボストン小児病院の理論生態学者であるキャサリン Z. コイトは述べています。実際の生態系が対処するには、もっともっともらしい方法があるかもしれません。 Science の 2015 年の論文 、コイトと彼女の同僚は、マイクロバイオーム内のバクテリア間の激しい競争自体が安定化の力である可能性があり、そうでなければシステムをオーバーランする可能性のある種を抑制していると報告しました.
それにもかかわらず、コイトは、オドワイヤーとバトラーがモデル化したバランスの取れた相利共生の可能性を排除していません。 「このような生物学的シナリオがあるかどうかを見るのは興味深いでしょう」と彼女は言いました.
実際、オドワイヤーと彼の同僚は、実際のデータを使用してモデルを調整したいと考えています。 O’Dwyer 氏によると、腸内微生物叢の種のスナップショットは、数か月または数年にわたって人々の糞便サンプルから取得されており、微生物の摂食に関する詳細な情報とともに調べるのに役立つ可能性があります。これは、モデルが現実的に機能するパラメータを絞り込むのに役立ちます。
一方、大規模な微生物群集をモデル化する作業は、多くの研究者の関心を集め続けています。多くの細菌が共存し、競合し、おそらく資源を交換している実験を行う場合、生物学者は何を期待すべきですか?
Allesina 氏によると、現時点では帰無仮説はほとんどありません。 Nature Ecology &Evolution の最近の論文 、彼と彼の協力者は、例えば、100種類のさまざまな細菌サンプルを、よく準備されたペトリ皿の緑豊かな面に投げて、誰が生き残るかを観察したらどうなるかを尋ねました.彼らは、そのようなシナリオをモデル化すると、多くの種が絶滅することを発見しましたが、最終的に安定した生態系がしばしば出現し、種が互いにどのように接続されているかに関係なく、安定したままです.
彼は、そのような理論的研究が最終的に研究室での研究を進めるのに役立つことを望んでいます。 「モデル生物を研究することで、人々は遺伝学において多くの進歩を遂げてきました」と彼は言いました。 「実験室で何度も再現できるモデル エコシステムがあれば楽しいでしょう。」研究者が腸内細菌の標準的な群集が皿の中でどのように振る舞うかをよりよく理解した場合、これはより微妙で有用な理論にもつながる可能性があります.自然界で見られるものは、生態系モデリングの最も単純な古典的な形式では決して発生しないことを知っている研究者は、これらすべての新しいモデルのどれが最も近いかを尋ねることができます?
