Tarmen din er hjemsted for mikrobiell galskap. Hundrevis av billioner av bakterier som tilhører utallige arter samhandler med hverandre på komplekse måter som både kan holde deg frisk og forårsake sykdom. Å erte ut disse interaksjonene ville virke som en umulig oppgave.
Nå har mikrobiologer funnet hjelp fra en usannsynlig kilde: fysikk. Et nytt eksperiment antyder at et kraftig konsept kjent som en faseovergang kan forutsi hvordan komplekse økosystemer – som de som består av bakteriene i magen din – oppfører seg. Funnet kan hjelpe oss med å holde tarmene våre sunne og til og med beskytte andre komplekse økosystemer som regnskoger og korallrev.
“Det er et vakkert stykke arbeid,” sier Fernanda Pinheiro, en fysiker som studerer bakteriell økologi og fysiologi ved Human Technopole, som ikke var involvert i arbeidet.
En faseovergang i fysikk fungerer slik: Alt du egentlig trenger å vite om enorme samlinger av partikler – enten de 1023 molekyler i et glass vann er flytende eller faste, for eksempel, eller om de utallige atomene i et metall vil ordne seg til en magnet – styres ofte av noen få enkle faktorer, som temperatur og trykk. Teoretikere så langt tilbake som på 1970-tallet har på lignende måte foreslått to faktorer – det totale antallet arter og styrken til interaksjoner mellom arter – kunne forutsi om komplekse levende systemer, som de tusenvis av arter i en regnskog, vil forbli stabil.
Men å teste slike teorier har vist seg utfordrende. Det er fordi det vanligvis ikke er noen måte å eksperimentelt manipulere populasjonsstørrelser eller interspecies interaksjoner i naturlige økosystemer. “Du har ikke en knott du kan dreie som får løver til å spise sebraer bedre,” sier Seppe Kuehn, en økolog ved University of Chicago som ikke var involvert i studien.
For å komme på problemet, laget Massachusetts Institute of Technology (MIT) fysiker Jeff Gore og hans kolleger skreddersydde økosystemer i laboratoriet. De fanget opp 24 bakteriearter fra jorda i et naturreservat i Boston-området og tok ytterligere 24 fra nematoder. De dyrket mikrobene sammen i plastbrønner og økte og reduserte konsentrasjonen av næringsstoffer for å manipulere hvor sterkt de forskjellige artene samhandlet med hverandre. Jo flere næringsstoffer, jo mer konkurrerte de forskjellige artene.
De eksperimentelle økosystemene gikk gjennom tre distinkte faser etter hvert som antallet arter i blandingen eller intensiteten av interaksjoner mellom arter økte. Til å begynne med forble bestanden til alle arter stabil. Så, når antall arter eller interaksjoner mellom arter krysset en viss terskel, gikk systemet brått inn i en ny fase der noen arter begynte å dø ut. Etter hvert som forsøkslederne fortsatte å legge til arter og øke næringsnivåene, gikk systemet over i en tredje fase: De gjenværende artenes populasjoner begynte å svinge vilt, noe som indikerer at økosystemet som helhet hadde mistet stabilitet.
Resultatet: Bare to variabler – antall arter og gjennomsnittlig interaksjonsstyrke – avgjorde om en blanding av forskjellige mikrober ville være stabil eller kaotisk, sier studieforfatter Jiliang Hu, en maskiningeniørstudent ved MIT.
Avisen, publisert i dag i Vitenskaper den først til å rapportere replikerbare faseoverganger basert på artsinteraksjoner og mangfold i samfunn med mer enn en liten håndfull arter, sier Kuehn.
Teoretikere har lenge mistenkt at fluktuasjoner som de Gores team fant kan tillate et stort antall arter å sameksistere, fordi når en arts befolkning krasjer til et lavt nivå, kan det skape rom for en annens å vokse. Studien “gir grunn til å håpe at en slik fase også kan eksistere i naturlige samfunn,” som kan bidra til å forklare hvorfor så mange arter er i stand til å sameksistere i virkelige økosystemer, sier Daniel Fisher, fysiker ved Stanford University, som ikke var involvert i arbeidet.
Men i naturen lever organismer i miljøer med kompliserte romlige strukturer og ytre påvirkninger som Gores team ikke undersøkte, bemerker Fisher. For eksempel er tarmen delt inn i ulike regioner og blir stadig oversvømmet med næringsstoffer, kjemikalier og vann. På grunn av en slik kompleksitet, sier Fisher, “om [the finding] er relevant for alt i den virkelige verden er veldig mye oppe i luften.»
Likevel er arbeidet “et veldig viktig skritt,” sier Ophelia Venturelli, en biokjemiker ved University of Wisconsin, Madison, som ikke var involvert i studien. Fremskrittet kan for eksempel hjelpe forskere med å designe blandinger av tarmbakterier som vil forbli sunne og motstå overtakelse av patogener som Clostridium difficilesom kan forårsake alvorlig diaré og smerte og til og med død, sier hun.
Som et neste trinn håper Venturelli å se forskere dokumentere mikrobielle faseoverganger i tarmen til laboratoriemus eller andre mindre kunstige økosystemer. “Jeg ville være veldig spent på å teste noen av disse ideene som Jeffs team har oppdaget i mer realistiske miljøer.”
Studien kan også gi et grunnlag for å teste hvor sannsynlig et bakteriesamfunn er for å utvikle antibiotikaresistens, sier Pinheiro. “Det faktum at de finner mønstre” i mikrobielle økosystemer, sier hun, “vil inspirere til mye arbeid.”