Come diverse specie coesistono nelle comunità microbiche

La diversità in molte comunità biologiche è segno di un ecosistema in equilibrio. Quando una specie domina, l’intero sistema può andare in tilt. Ad esempio, la crescita eccessiva incontrollata di alcune specie di alghe oceaniche provoca maree rosse tossiche che uccidono i pesci e altre forme di vita marina e ammalano gli esseri umani. A un livello più individuale, l’intestino umano ospita una vasta comunità di diversi batteri che è fondamentale per una corretta digestione e assorbimento dei nutrienti. L’interruzione o gli squilibri in questa comunità batterica possono causare una fioritura nella crescita di una specie tossica, provocando nausea, diarrea e altre malattie. Chiaramente, c’è un urgente bisogno di capire come si sviluppa e si mantiene la diversità della comunità microbica, soprattutto quando le attività umane cambiano il nostro ambiente esterno e interno.

Come tutta la vita, i microbi richiedono determinati nutrienti, come la luce solare, gli zuccheri o le fonti di azoto, per sopravvivere e riprodursi. Il fabbisogno di nutrienti di molte specie di microbi si sovrappone, mettendolo in concorrenza tra loro. Molti sforzi sono stati dedicati alla comprensione di come questa competizione influenzi la diversità microbica quando i nutrienti sono costantemente forniti. Tuttavia, in natura, è abbastanza comune che le risorse siano disponibili solo stagionalmente, in modo che la loro offerta sia fortemente limitata almeno per una parte del tempo. Ad esempio, i batteri nell’intestino che vivono di zuccheri potrebbero trovarli abbondanti subito dopo che l’essere umano ha mangiato e più rari per il resto del tempo. Perché ogni specie batterica è geneticamente unica, e avrà una sua strategia particolare per l’utilizzo di un dato nutriente. Le specie con le strategie più efficienti per l’utilizzo dei nutrienti disponibili sperimentano la migliore crescita.

“Una domanda di vecchia data sui microbi riguarda il modo in cui così tante specie microbiche diverse riescono a coesistere quando competono per risorse limitate“, ha detto Ned Wingreen, professore del Dipartimento di Biologia Molecolare di Princeton e autore senior di un articolo nel numero dell’11 settembre della rivista eLife.

I ricercatori possono ricreare l’apporto stagionale di nutrienti in un laboratorio mettendo i batteri in un contenitore, lasciandoli crescere, quindi prelevando un piccolo campione e spostandolo in un nuovo contenitore di nutrienti, un processo chiamato “diluizione seriale“. Nel tempo, l’abbondanza relativa delle diverse specie nella coltura cambierà in base ai nutrienti disponibili e alle strategie di utilizzo dei nutrienti della specie. Eseguendo cicli ripetuti di diluizione seriale, gli scienziati possono osservare gli effetti dei nutrienti forniti stagionalmente sulla diversità della comunità.

Nel loro articolo, i ricercatori di Princeton Amir Erez, Jaime Lopez, Ned Wingreen e colleghi utilizzano modelli matematici per esplorare come la diversità delle specie in una comunità batterica è influenzata quando i nutrienti da cui dipendono i microbi sono disponibili solo stagionalmente.
Naturalmente, sarebbe poco pratico esaminare tutte le possibili combinazioni di batteri, nutrienti e strategie di utilizzo utilizzando questo metodo. Invece, essi hanno studiato questa domanda modellando matematicamente la diluizione seriale.

“Nel nostro articolo, sviluppiamo una teoria generale della competizione delle risorse microbiche in un ecosistema stagionale modellando l’aggiunta e l’esaurimento di nutrienti ricorrenti“, ha spiegato Wingreen.

Quando i nutrienti sono disponibili solo stagionalmente, la modellazione ha scoperto una relazione sorprendente tra la diversità delle specie e la quantità di nutrienti forniti. In primo luogo, la diversità delle specie è elevata quando tutti i nutrienti sono forniti in quantità molto elevate perché la crescita di tutte le specie è ugualmente illimitata ad alti livelli di nutrienti. La diversità è elevata anche a quantità di nutrienti molto basse perché la crescita di tutte le specie è limitata in tali condizioni e nessuna specie può ottenere un vantaggio.

“I compromessi sul consumo di sostanze nutritive negli ecosistemi stagionali possono portare a ecosistemi stabili che supportano la diversità al di là di quanto previsto da modelli matematici più semplici“, ha osservato Wingreen.

A livelli di nutrienti intermedi, tuttavia, la diversità delle specie si fa sentire perché ci sarà sempre una specie la cui capacità di utilizzare il nutriente presente più abbondante supera quella delle altre. Questa specie, che gli autori chiamano “early bird“, ottiene un vantaggio di crescita precoce che gli altri non potranno mai compensare.

L’effetto early bird si manifesta anche in versioni più elaborate del modello che consentono alle specie di nutrirsi dei sottoprodotti metabolici degli altri o di reintegrare i membri di una specie in declino mediante la migrazione di nuovi individui. Ma l’identità dell’early bird cambia in base agli input del modello: quali nutrienti sono presenti e in che quantità; quanto spesso vengono forniti i nutrienti; e quali specie sono presenti e quali sono le loro strategie. Ogni volta che appare, il primo uccello influenza il modo in cui l’ecosistema risponde ai cambiamenti dei nutrienti.

“Gli ecologisti hanno cercato a lungo una relazione universale tra la biodiversità e la quantità di nutrienti fornita a una comunità. L’esistenza di questa relazione universale non è supportata dal nostro modello“, afferma Wingreen.

“Questo è un documento importante“, afferma Alvaro Sanchez, professore di ecologia e biologia evolutiva all’Università di Yale ed editore di eLife . “Fornisce un elegante quadro di modellazione per capire come l’ apporto di nutrienti e la concorrenza possono strutturare la coesistenza e la diversità nelle comunità microbiche e motiverà nuovi esperimenti“.