En matematisk modell skapad av University of Illinois forskare kan hjälpa forskare att bättre förstå en spännande egenskap hos mikrobiella samhällen:deras förmåga att uppnå stabilitet trots att de är så olika.

Mikrobiella samhällen är grupper av mikroorganismer som finns i en mängd olika miljöer - i jorden, i haven, och i våra kroppar. Även om dessa samhällen är komplexa och mångfaldiga, de kan bilda stabila ekosystem.

Stabilitet kan definieras som hur väl samhället hanterar förändringar. Stabila samhällen kan motstå en förändring i näringstillförseln eller en invasion av en ny art. Mindre stabila samhällen är benägna att förändras inför dessa störningar.

Sergei Maslov, en Bliss Faculty Scholar, professor i bioteknik, och en fakultetsmedlem inom temat Biokomplexitet vid Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, och Akshit Goyal, en gästforskare från Simons Center for the Study of Living Machines vid NCBS, i Bengaluru, Indien, har tidigare samarbetat på en prediktiv modell för att mäta stabilitet i mikrobiell gemenskap baserat på ett ekonomiskt koncept som kallas "stabila äktenskapsproblem" som publicerats i ISME Journal . De skapade nyligen en matematisk modell för att ytterligare förstå hur mikrobiella samhällen fungerar och upprätthåller stabilitet.

"Du har hundratals - om inte tusentals - arter som samexisterar i samma lilla volym, ", sa Maslov. "Det är nästan som en regnskog i miniatyr."

Deras studie, publiceras i Fysiska granskningsbrev , erkändes som en redaktörs val i tidskriften och åtföljdes av en populär APS Focus-artikel.

Deras arbete tar upp tre signaturaspekter av mikrobiella samhällen. Den första är mångfald, mängden arter som samexisterar i samhället. Det andra är stabilitet, och den tredje är reproducerbarhet, vilket är hur ofta en viss art kommer att finnas i ett samhälle.

Maslov jämför återigen denna aspekt med en regnskog. En regnskog i Sydamerika och en regnskog i Afrika kan se liknande ut, men de innehåller var och en olika arter. Det är vettigt att detta är fallet - det är osannolikt för en inhemsk art i Afrika att migrera till Sydamerika.

"I mikrobiella samhällen, vi kan inte framföra detta argument, " sa Maslov. "Alla mikrober, ganska ofta, transporteras från en plats till en annan, och ändå kan du ha olika uppsättningar av arter i närliggande jordfläckar."

Deras modell ansåg detta för att försöka förstå vilka arter som alltid delas universellt i mikrobiella samhällen, och vilka arter som är unika.

De fann att en nyckelingrediens i deras modell var en process som kallas korsmatning. Mikrober konsumerar näringsämnen och utsöndrar sedan metaboliska biprodukter, som återvänder till det delade utrymmet för det mikrobiella samhället och konsumeras av andra mikrober.

"Vad vi ser i vår modell är uppkomsten av flera nivåer av konsumtion av ett näringsämne, ", sa Maslov. "Vissa mikrober är på toppnivå, där de direkt kan komma åt det externt tillhandahållna näringsämnet. Vissa andra mikrober är specialiserade på vad som än är en avfallsprodukt från denna första mikrob, och så vidare."

Maslov och Goyal ville se hur många nivåer av konsumtion som kunde samexistera i ett samhälle, och fann att det beror på hur snabbt mikrober växer — långsam tillväxt främjar högre mångfald och ett större antal nivåer.

En annan viktig faktor för samhällets förmåga att fungera är ekosystemets mognad. Mogna ekosystem innehåller fler arter, och dessa arter är mer effektiva när det gäller att utnyttja sina resurser. De använde sin modell för att karakterisera hur mycket tid som behövs för att beskriva ett samhälle som ett moget ekosystem.

"Vi försöker förstå vad som gör vissa stater stabila, och hur många sådana stabila stater finns där ute, ", sa Maslov. "Vilket är intervallet av störningar som en stat kan tolerera innan den ändrar den till något annat eller kollapsar tillsammans?"

Detta arbete har konsekvenser för större ekosystem över hela världen.

"Självklart vill vi förstå stabilitet utifrån ståndpunkten att vi stör miljön på ett aldrig tidigare skådat sätt, ", sa Maslov. "Vi vill förstå hur långt vi kan driva innan allt kollapsar."

Om forskare kan förstå detta bättre, de kan en dag lära sig hur man kontrollerar mikrobiella ekosystem. Till exempel, ett jordmikrobiom kan kanske ändras till ett annat tillstånd genom att tillsätta mikrober eller näringsämnen. Eftersom systemen är så komplexa och mångsidiga, detta är för närvarande omöjligt att uppnå.

"Det är därför vår heliga gral, i detta och framtida arbete, är att på ett förutsägbart och tillförlitligt sätt kunna kontrollera ekosystemets övergångar från det tillstånd det är i till det tillstånd vi vill att det ska vara, ", sa Maslov. "Vi vill kunna göra det utan att faktiskt ha någon kollaps."