Cuando una nueva especie se introduce en un ecosistema, puede lograr establecerse o puede no lograr afianzarse y extinguirse. Los físicos del MIT han ideado una fórmula que puede predecir cuál de estos resultados es más probable.
Los investigadores crearon su fórmula basándose en un análisis de cientos de escenarios diferentes que idearon utilizando una población de bacterias del suelo cultivadas en su laboratorio. Ahora planean probar su fórmula en ecosistemas más grandes, incluidos los bosques. Este enfoque también puede ser útil para predecir si los probióticos o el tratamiento de la microbiota fecal (FMT) combatirán con éxito las infecciones del tracto gastrointestinal humano.
“La gente come muchos probióticos, pero la mayoría de ellos nunca pueden atacar nuestro microbioma intestinal, porque si los introduces, eso no significa necesariamente que puedan crecer y mejorar tu salud. Puede beneficiarse”, dice Jilong Ho SM ’19. , PhD ’24, autor principal del estudio.
El profesor de física del MIT, Jeff Gore, es el autor principal del artículo, que aparece en la revista. Naturaleza Ecología y Evolución. Mathieu Barbier, investigador del Instituto de Sanidad Vegetal de Montpellier, y Guy Bunin, profesor de física del Technion, también son autores del artículo.
Fluctuaciones de la población
El laboratorio de Gore se especializa en el uso de microbios para analizar interacciones entre especies de manera controlada, con la esperanza de aprender más sobre el comportamiento de los ecosistemas naturales. En trabajos anteriores, el equipo utilizó poblaciones bacterianas para mostrar cómo los cambios en el entorno en el que viven los microbios afectan la estabilidad de las comunidades que forman.
En este estudio, los investigadores querían estudiar qué determina si un nuevo tipo de ataque tendrá éxito o fracasará. En las sociedades naturales, los ecologistas plantean la hipótesis de que cuanto más diverso sea un ecosistema, más resistente será a la invasión, ya que la mayoría de los nichos ecológicos ya estarán ocupados, dejando pocos recursos para el invasor.
Sin embargo, tanto en los sistemas naturales como en los experimentales, los científicos han observado que esto no es siempre cierto: si bien algunas poblaciones muy diversas son resistentes a la invasión, otras poblaciones muy diversas tienen más probabilidades de ser invadidas.
Para descubrir por qué podrían ocurrir estos dos resultados, los investigadores establecieron más de 400 comunidades de bacterias del suelo, todas del suelo alrededor del MIT. Los investigadores establecieron comunidades de 12 a 20 especies de bacterias y, después de seis días, agregaron una especie seleccionada al azar como invasora. El día 12 del experimento, secuenciaron los genomas de todas las bacterias para determinar si el invasor se había establecido en el ecosistema.
En cada comunidad, los investigadores también variaron los niveles de nutrientes en el medio de cultivo en el que se cultivaron las bacterias. Cuando los niveles de nutrientes eran altos, los microbios mostraban fuertes interacciones, caracterizadas por una mayor competencia por los alimentos y otros recursos, o una inhibición mutua a través de mecanismos como los efectos cruzados de toxinas mediados por el pH. Algunas de estas poblaciones formaron estados estacionarios en los que la proporción de cada microbio no varió mucho con el tiempo, mientras que otras formaron comunidades en las que la abundancia de la mayoría de las especies fluctuó.
Los investigadores descubrieron que estas fluctuaciones eran el factor más importante en los resultados de los ataques. Las comunidades con alta volatilidad son más diversas, pero también tienen más probabilidades de ser invadidas con éxito.
“No son fluctuaciones causadas por cambios en el medio ambiente, son fluctuaciones internas impulsadas por interacciones entre especies. Y lo que encontramos es que las comunidades fluctuantes son invadidas más fácilmente”, dice Ho, y son más diversas que las estables, dice Ho.
En algunas poblaciones donde se estableció el invasor persistieron otras especies, pero en menor número. En otras poblaciones, algunas especies residentes fueron superadas y desaparecieron por completo. Estas migraciones fueron más frecuentes en los ecosistemas cuando había fuertes interacciones competitivas entre especies.
En los ecosistemas que tenían poblaciones más estables y menos diversas, con interacciones más fuertes entre especies, era más probable que las invasiones fracasaran.
Independientemente de si la comunidad era estable o fluctuante, los investigadores encontraron que la fracción de especies originales que sobrevivieron en la comunidad antes de la invasión predijo la probabilidad de éxito de la invasión. Esta “fracción de supervivencia” se puede estimar en las comunidades naturales tomando la relación entre una comunidad local (medida por el número de especies en esa área) y la diversidad regional (el número de especies encontradas en toda la región).
“Sería interesante estudiar si la diversidad local y regional puede utilizarse para predecir la susceptibilidad a la invasión en las comunidades naturales”, afirma Gore.
Predicción de éxito
Los investigadores también descubrieron que, en algunos casos, el orden en el que las especies desempeñaban un papel en el ecosistema determinaba si la invasión era exitosa o no. Cuando las interacciones entre especies eran fuertes, las posibilidades de que una especie se incorporara con éxito disminuían cuando esa especie se introducía después de que otras especies se habían establecido.
Cuando las interacciones son débiles, este “efecto preferencial” desaparece y se logra el mismo equilibrio estable independientemente del orden en que aparecen los microbios.
“Bajo un sistema de interacción fuerte, descubrimos que el invasor tiene cierta desventaja porque llegó más tarde. Esto es de interés en ecología porque la gente siempre ha descubierto que en algunos casos el orden en el que llegan las especies es muy importante, mientras que en otros En algunos casos no importa”, afirma Hu.
Los investigadores ahora planean intentar replicar sus hallazgos en ecosistemas para los cuales hay datos de diversidad de especies disponibles, incluido el microbioma intestinal humano. Su fórmula puede permitirles predecir el éxito de la terapia probiótica, en la que se administran bacterias beneficiosas por vía oral, o FMT, un tratamiento experimental para infecciones graves. C. dificultaden el que se trasplantan bacterias beneficiosas de las heces del donante al colon del paciente.
“Los ataques pueden ser perjudiciales o beneficiosos según el contexto”, afirma Ho. “En algunos casos, como los probióticos o el FMT para el tratamiento C. dificultad infección, queremos que especies sanas invadan con éxito. La gente también introduce probióticos o especies beneficiosas en el suelo para protegerlo. En este caso, la gente también quiere que los atacantes tengan éxito.
