2019-05-14 20:10:02
衰退环境如何影响人口

稳定的生态系统偶尔会经历导致广泛死亡的事件 - 例如,人体肠道中的细菌可能会被抗生素消灭,或者海洋生物可能因过度捕捞而耗尽。麻省理工学院物理学家的一项新研究揭示了这些事件如何影响社区内不同物种之间的动态。

研究人员在细菌研究中发现,在正常条件下种群数量较少的物种随着条件的恶化会增加。这些发现与先前已开发但在较大生物体中难以测试的理论模型一致。

“对于复杂社区内的单一物种,死亡率的增加并不一定意味着净效应会使你受到伤害。可能虽然死亡率本身对你不利,但事实是你的竞争对手物种也正在经历死亡率的增加,他们可能比你更敏感,意味着你可以做得更好,“麻省理工学院物理学副教授兼该研究的资深作者杰夫戈尔说。

细菌中的发现也可能适用于现实世界人群中较大的生物体,这些生物体更难以研究,因为通常不可能像研究人员在试管中生长细菌那样控制实验条件。

“我们认为这可能发生在自然环境中的复杂社区中,但很难进行必要的实验来真正确定它。在实验室的背景下,我们可以在您看到这种效果时做出非常清晰的测量以非常明显的方式,“戈尔说。

麻省理工学院研究生Clare Abreu是这项研究的主要作者,于5月9日出现在Nature Communications上。麻省理工学院本科生Vilhelm Andersen Woltz和前麻省理工学院博士后Jonathan Friedman也是该论文的作者。

竞争资源

微生物群落,例如在土壤,海洋或人类肠道中发现的微生物群落,通常包含数千种不同的物种。戈尔实验室有兴趣研究决定特定环境中哪些物种存在的因素,以及这些种群的组成如何影响它们的功能,无论是在海洋中循环碳还是帮助彼此抵抗肠道中的抗生素治疗。

通过在实验室中进行对照实验,戈尔希望了解不同物种如何相互作用,并检验预测群体如何响应环境的假设。 2013年,他发现了在酵母中警告人口崩溃的早期迹象,他还研究了不同种类的细菌如何相互保护抗生素。

“我们正在利用实验上易于处理的简单社区来确定决定哪些物种可以共存的原则,以及在不同环境中如何变化,”戈尔说。

为了探究这些实验结果是否适用于更大的社区,去年戈尔和他的同事发表了一篇论文,其中他们表明,竞争资源的物种对之间的相互作用可用于预测结果,准确率约为90%。当三个物种相互竞争时。

在这项新研究中,Gore和Abreu决定看看他们是否可以使用成对相互作用来预测三种竞争物种在环境条件恶化时会如何反应。为了在实验室中模拟这一点,研究人员使用稀释过程 - 即在每天结束时丢弃大部分(从90%到99.999999%)的人口,并将剩余部分转移到新资源。这可能类似于过度捕捞或栖息地丧失等现实条件。

“我们正试图解决一个普遍的问题,即死亡率的增加可能如何改变社区的构成,”戈尔说。

研究人员研究了五种土壤细菌的组合。在他们一次测试物种对的实验中,他们发现了一种特定的模式,它符合物种相互作用的经典模型所做的预测,称为Lotka-Volterra模型。

根据这个模型,环境条件的下降应该有利于更快的种植者。研究人员发现情况就是如此:即使在种植较慢的种植者最初占据人口的情况下,随着稀释率的增加,种群也会发生变化,直到最快种植者成为人口的较大部分或完全接管。最终结果取决于每个竞争者的强弱程度,以及他们在起始人群中的相对丰富程度。

研究人员还发现,成对竞争的结果可以准确地预测当三种物种在环境恶化的环境中一起生长时会发生什么。

“这是我们对微生物生态学理解的一个令人兴奋的进步,”系统生物学研究所助理教授Sean Gibbons说,他没有参与这项研究。 “非特异性死亡率可以改变竞争结果的观察结果令人惊讶,尽管需要做更多的工作来了解稀释是否对环境条件产生更细微的影响。”

人口模型

本研究中分析的Lotka-Volterra模型最初是为较大生物之间的相互作用而开发的。这种模型更容易在微生物种群中进行测试,因为控制细菌的实验条件要比生活在森林中的鹿更容易。

“没有特别的理由相信这些模型比微生物更适用于微生物。只有微生物,我们可以一次研究数百个这样的社区,并转动实验旋钮并做出明确的测量,”戈尔说。 “通过微生物,我们可以清楚地了解这些模型何时起作用,何时它们不起作用。”

戈尔和他的学生们正在研究特定的环境变化,包括温度和资源的变化,如何改变微生物群落的组成。他们还致力于通过实验操纵包含两种以上细菌物种的种群。

猜您喜欢的其它内容