Jordbakterier måste kunna anpassa sig till varierande miljöförhållanden. – Men en ny studie av LMU-forskare indikerar att snabb anpassning kan vara kontraproduktiv, medan försenad anpassning underlättar samexistens mellan olika arter.

Ett enda gram jord kan innehålla upp till 10, 000 olika arter av bakterier. Hur en sådan extraordinär grad av biologisk mångfald kan upprätthållas inom populationer som består av arter med vitt varierande konditionsnivåer är en central fråga inom ekologin. När blandningar av jordbakterier odlas under definierade förhållanden i laboratoriet, stammen eller arterna med högst tillväxttakt kommer så småningom att dominera populationen och alla andra kommer att dö ut. LMU-fysikern professor Erwin Frey och hans kollega dr Marianne Bauer har nu frågat varför detta inte sker under naturliga förhållanden i marken. Resultaten av deras studie, som står i journalen Fysiska granskningsbrev , visa att försenad anpassning till förändringar i ekologiska parametrar kan leda till en stabil samexistens mellan olika arter.

Jord är en extremt komplex livsmiljö, inte bara biologiskt, men också ur en strukturell synvinkel – den kännetecknas av labyrintiska system av sammankopplade porer. Beroende på vatteninnehållet, detta nätverk av porer gör att näringsämnen kan distribueras och gör det möjligt för bakterier att komma i kontakt med närliggande populationer. "Vi var intresserade av att veta om den karakteristiska rumsliga variationen av denna livsmiljö har en inverkan på stabiliteten hos bakteriepopulationer, " säger Marianne Bauer. För att hitta svaret, Bauer och Frey ansåg ett enkelt system som består av två rörliga arter som skiljer sig åt i vissa egenskaper, och använde matematiska simuleringar för att modellera förändringar i befolkningens sammansättning som svar på fluktuationer i miljöns sammansättning. I deras modell, en av arterna syntetiserar och utsöndrar kontinuerligt ett spridbart tillväxtbefrämjande ämne, vilket har en gynnsam effekt på hela befolkningen. Dock, eftersom biogenes av föreningen medför en energikostnad, tillväxthastigheten för produktionscellerna är lägre än hos de andra arterna. Under laboratorieförhållanden, en sådan kombination av egenskaper skulle göra att de långsamt växande arterna konkurreras ut och drivs till utrotning.

Dock, modellen innehåller en annan egenskap:Författarna antar att medlemmar av båda arterna inte kan reagera snabbt på plötsliga fluktuationer i miljöförhållandena. De fortsätter alltså att växa i samma takt som tidigare under en tid efter att de kommit in i en zon där pH-värdet eller näringstillgången skiljer sig från den som rådde i deras tidigare nisch. Simuleringar baserade på denna modell indikerar att fördröjningen av anpassningen till nya förhållanden har en positiv effekt på befolkningen som helhet, och i själva verket tillåter den långsiktiga samexistensen av de två arterna. Eftersom tillväxthastigheten för båda arterna beror på tillgängligheten av tillväxtfaktorn, en lokal delpopulation som innehåller många av de långsamt växande producentcellerna kommer att växa i snabbare takt än en där det finns mycket färre producenter – och motsvarande lägre nivåer av tillväxtfaktorn. "Och eftersom porerna i jordsystemet tillåter utbyte mellan populationer, medlemmar av arter med mycket olika tillväxthastigheter kan förekomma tillsammans inom samma por, som gör att båda kan överleva på obestämd tid, " Bauer förklarar. "Detta fungerar för ett brett spektrum av porsystem och för överraskande stora skillnader i tillväxthastigheter mellan de två arterna."

Enligt författarna, det faktum att stabil samexistens mellan de två arterna är möjlig över ett brett spektrum av parameterutrymmen tyder på att fördröjd anpassning till förändringar i levnadsförhållanden spelar en betydande roll för upprätthållandet av biologisk mångfald. "Detta innebär att experiment som tar hänsyn till den rumsliga strukturen hos ekologiska nischer erbjuder ett lovande tillvägagångssätt för att utforska biologisk mångfald i realistiska system, säger Frey.