あなたの腸は微生物の狂気の本拠地です.無数の種に属する何百兆ものバクテリアが複雑な方法で相互に作用し、健康を維持し、病気を引き起こします.これらの相互作用をからかうのは、不可能な作業のように思えます。
現在、微生物学者はありそうもない情報源から助けを見つけました:物理学です。新しい実験は、相転移として知られる強力な概念が、複雑な生態系 (たとえば、腹部のバクテリアで構成されている生態系) の挙動を予測できることを示唆しています。この発見は、腸を健康に保ち、熱帯雨林やサンゴ礁などの他の複雑な生態系を保護するのにも役立つ可能性があります.
ヒューマン テクノポールで細菌の生態学と生理学を研究している物理学者の Fernanda Pinheiro 氏は、「これは素晴らしい成果です」と述べていますが、彼はこの研究には関与していません。
物理学における相転移は次のように機能します。粒子の巨大なコレクションについて本当に知っておく必要があることはすべて、たとえば、コップ一杯の水に含まれる 10 個の分子が液体か固体か、または金属内の無数の原子が配置されるかどうかなどです。磁石は、多くの場合、温度や圧力などのいくつかの単純な要因によって制御されます。 1970 年代にさかのぼる理論家も同様に、種の総数と種間の相互作用の強さという 2 つの要因が、熱帯雨林に生息する何千もの種などの複雑な生命システムが安定しているかどうかを予測できると示唆していました。
しかし、そのような理論をテストすることは困難であることがわかっています。これは、通常、自然の生態系における個体群のサイズや種間の相互作用を実験的に操作する方法がないためです。 「ライオンがシマウマをよりよく食べるために回すことができるノブはありません」と、この研究には関与していないシカゴ大学の生態学者であるセッペ・キューンは言います。
この問題を解決するために、マサチューセッツ工科大学 (MIT) の物理学者ジェフ・ゴアと彼の同僚は、研究室で特注のエコシステムを作成しました。彼らは、ボストン地域の自然保護区の土壌から 24 種の細菌をすくい上げ、線虫の内臓からさらに 24 種を抜き取りました。彼らは微生物をプラスチック製の井戸で一緒に成長させ、栄養素の濃度を増減させて、異なる種が互いに相互作用する強さを操作しました。栄養素が多ければ多いほど、異なる種がより多く競争した.
実験的な生態系は、ミックス内の種の数または種間の相互作用の強度が増加するにつれて、3つの異なる段階を経ました。最初は、すべての種の個体数は安定していました。その後、種の数または種間の相互作用が特定のしきい値を超えると、システムは突然新しい段階に入り、いくつかの種が死滅し始めました。実験者が種を追加し、栄養レベルを徐々に上げていくと、システムは第 3 段階に入りました。残りの種の個体数が大きく変動し始め、生態系全体が安定を失ったことを示しています。
結論:2 つの変数 (種の数と平均的な相互作用の強さ) だけで、さまざまな微生物の寄せ集めが安定するか無秩序になるかが決まると、論文の著者で MIT の機械工学大学院生である Jiliang Hu 氏は述べています。
本日 Science に掲載された論文 は、ほんの一握り以上の種が生息する群集における種の相互作用と多様性に基づいて、再現可能な相転移を報告した最初の研究者です、と Kuehn は言います。
理論家たちは、ゴア氏のチームが発見したような変動により、多数の種が共存できるのではないかと長い間疑っていました。スタンフォード大学の物理学者ダニエル・フィッシャーは、この研究は「そのような段階が自然界にも存在する可能性があることを期待する理由を与えてくれます」と述べています。
しかし、自然界では、生物は複雑な空間構造とゴアのチームが調べていない外部の影響を伴う環境に住んでいる、とフィッシャーは指摘する.たとえば、腸はさまざまな領域に分かれており、栄養素、化学物質、および水で常にあふれています。このような複雑さのために、フィッシャー氏は、「[発見] が現実世界の何かに関連するかどうかは、非常に不明です」と述べています。
それにもかかわらず、研究は「非常に重要なステップです」と、この研究には関与していないウィスコンシン大学マディソン校の生化学者 Ophelia Venturelli は言います。この進歩は、たとえば、研究者が健康を維持し、Clostridium difficile のような病原体による乗っ取りに抵抗する腸内細菌の混合物を設計するのに役立つ可能性があります。 激しい下痢と痛み、さらには死に至ることもあると彼女は言います.
次のステップとして、Venturelli は、研究者が実験用マウスの腸やその他のあまり人工的でない生態系における微生物の相転移を記録することを望んでいます。 「ジェフのチームが発見したこれらのアイデアのいくつかを、より現実的な環境でテストできることを非常に楽しみにしています。」
この研究は、細菌群集が抗生物質耐性を発症する可能性をテストするための基礎を提供することもできると、Pinheiro 氏は述べています。 「彼らが微生物生態系のパターンを見つけたという事実は、多くの研究を刺激するでしょう」と彼女は言います。
