Regeringskoalitioner upplöses ofta när alltför många partier är oense i för många frågor. Även om en koalition verkar stabil under en tid, kan en liten kris orsaka en kedjereaktion som så småningom får systemet att kollapsa. En studie utförd vid institutionen för fysik vid Bar-Ilan University visar att denna princip även gäller för ekosystem, särskilt bakteriella ekosystem.

I ett ekosystem kan olika arter ha en negativ effekt på varandra. Geparden, till exempel, jagar zebrorna och träden i djungeln tävlar med varandra om solljus. Omvänt kan arter påverka varandra positivt, som biet som pollinerar blommor. På 1970-talet förutspådde den kända matematikern och biologen Robert May kollapsen av koalitioner i ekosystem, som träd i regnskogar, djur på savanner eller fiskar i korallrev. Enligt May kan ett ekosystem bli instabilt och kollapsa om det innehåller för många arter, eller om nätverken av kopplingar mellan dem är för intensiva. Med andra ord, enligt Mays teori kännetecknas små ekosystem i naturen generellt av starka bindningar, medan stora system kännetecknas av svaga bindningar. Hittills har Mays teori varit svår att bevisa på grund av svårigheten att mäta dessa nätverk.

I den nya studien, publicerad i Nature Ecology &Evolution , Yogev Yonatan och Guy Amit från forskargruppen för Dr. Amir Bashan vid Bar-Ilan Universitys institution för fysik, i samarbete med Dr. Yonatan Friedman från Hebrew University, demonstrerade det första beviset på Mays teori om mikrobiella ekosystem.

Mikrobiomet har stor betydelse för vår hälsa – som matsmältning och upptag av näringsämnen och träning av vårt immunförsvar. Störningar i den ekologiska balansen är förknippade med många negativa effekter på vårt fysiska och psykiska välbefinnande, från fetma till psykiska och olika psykiatriska tillstånd och risken för kroniska sjukdomar som diabetes och cancer. Vissa interventioner har införts för att upprätthålla en hälsosam balans, inklusive dietelement, probiotikaintag, antibiotika och fekal transplantation. Utanför människokroppen spelar bakterier en avgörande roll för att skapa livsvillkor för större organismer. De är nödvändiga för näringsämnens nedbrytning, reglering av produktion och nedbrytning av gaser i atmosfären, inklusive växthusgaser, metan, koldioxid med mera.

Forskarna utvecklade en ny beräkningsmetod som gör att nivån av anslutning i ekosystemet (ett mått på antalet anslutningar i nätverket och deras styrka) kan uppskattas genom att analysera stora mängder data från en mängd olika mikrobiella samhällen utan att behöva skapa en detaljerad karta över alla interaktioner – analogt med hur temperaturen i ett glas vatten kan mätas utan fullständig kunskap om hastigheten och positionen för varje vattenmolekyl.

Inledningsvis testade forskarna den nya metoden på simulerade data om ekologisk dynamik. Senare analyserade de data från tusentals prover av bakteriepopulationer från olika organ i människokroppen och från bakteriepopulationer som lever på marina svampar i korallrev på olika platser runt om i världen. I varje ekologisk miljö jämförde de antalet olika arter i bakteriepopulationen och anslutningsnivån för det ekologiska nätverket, och fann första bevis på existensen av Robert Mays princip om stabilitet i dessa system.

Att förstå stabilitetsprinciperna för bakteriesamhällen är viktigt av två skäl. Stabilitetsprinciper är spelreglerna som dikterar ekosystemets utveckling i en viss miljö och hjälper till att svara på vetenskapliga frågor som varför olika bakteriepopulationer utvecklas på olika platser, eller varför antalet arter skiljer sig åt mellan platserna. Ett andra skäl är att ekosystem kan kollapsa till följd av att den ekologiska balansen störs efter mänskligt ingripande. Detta gäller korallrev i Australien och regnskogar i Brasilien, och det gäller även bakteriepopulationer hos människor och i miljön. Det är viktigt att bedöma hur nära dessa system är att kollapsa så att vi vet hur vi ska undvika att skada dem och hur de kan rehabiliteras.

Resultaten visar att antalet olika arter av bakterier som kan överleva i samma ekologiska miljö begränsas av styrkan i interaktionerna mellan dem. Till exempel i tarmen, där det finns ett överflöd av mat för bakterier och mindre intensiv konkurrens om resurser, hittar vi dussintals till hundratals olika typer av bakterier. Motsatsen sker på andra platser där konkurrensen är hård och antalet arter är litet. Att förstå stabilitetsprinciperna för bakteriepopulationer är särskilt viktigt när vi är intresserade av att utveckla behandlingar som inkluderar försök att påverka, förändra och kontrollera deras sammansättning. Därför är det mycket viktigt att förstå de ekologiska lagar som styr bakteriepopulationerna i människan och världen både för utvecklingen av medicinska behandlingar och för bevarandet av miljön.

Ämnet för denna forskning, som allmänt studeras av biovetenskapliga forskare, är ett exempel på en växande trend de senaste åren mot multidisciplinär forskning, där komplexa problem utforskas av experter från olika discipliner. I denna studie använde fysiker verktyg från områdena statistisk fysik, olinjär dynamik, nätverksvetenskap och datavetenskap för att studera problem som kännetecknas av stora mängder data, av vilka nätverk i bakteriepopulationer eller olika mänskliga interaktioner bara är en del.