Os físicos do MIT desenvolvem uma fórmula preditiva, baseada em comunidades bacterianas, que também pode ser aplicada a outros tipos de ecossistemas, incluindo o trato gastrointestinal humano.
Quando uma nova espécie é introduzida num ecossistema, pode conseguir estabelecer-se ou pode não conseguir estabelecer-se e desaparecer. Os físicos do MIT desenvolveram agora uma fórmula que pode prever qual desses resultados é mais provável.
Os pesquisadores criaram sua fórmula com base na análise de centenas de cenários diferentes que modelaram usando populações de bactérias do solo cultivadas em seu laboratório. Planeiam agora testar a sua fórmula em ecossistemas de maior escala, incluindo florestas. Esta abordagem também poderia ser útil para prever se os probióticos ou os tratamentos com microbiota fecal (FMT) combateriam com sucesso as infecções do trato gastrointestinal humano.
“As pessoas comem muitos probióticos, mas muitos deles nunca conseguem invadir o nosso microbioma intestinal, porque se os introduzirmos, não significa necessariamente que possam crescer, colonizar e beneficiar a nossa saúde”, diz Jiliang Hu SM ’19 , PhD ’24, autor principal do estudo.
Professor de física do MIT Jeff Gore é o autor sênior do artigo, que aparece hoje no jornal Ecologia e Evolução da Natureza. Matthieu Barbier, pesquisador do Instituto de Saúde Vegetal de Montpellier, e Man Bunin, professor de física no Technion, também são autores do artigo.
Flutuações populacionais
O laboratório de Gore é especializado no uso de micróbios para analisar interações entre espécies de forma controlada, na esperança de aprender mais sobre como os ecossistemas naturais se comportam. Em trabalho anteriora equipe usou populações bacterianas para demonstrar como a mudança no ambiente em que os micróbios vivem afeta a estabilidade das comunidades que formam.
Neste estudo, os pesquisadores queriam estudar o que determina se uma invasão por uma nova espécie terá sucesso ou fracasso. Nas comunidades naturais, os ecologistas levantaram a hipótese de que quanto mais diversificado for um ecossistema, mais resistirá a uma invasão, porque a maioria dos nichos ecológicos já estará ocupada e poucos recursos sobrarão para um invasor.
No entanto, tanto em sistemas naturais como experimentais, os cientistas observaram que isto não é consistentemente verdade: embora algumas populações altamente diversas sejam resistentes à invasão, outras populações altamente diversas têm maior probabilidade de serem invadidas.
Para explorar por que ambos os resultados podem ocorrer, os pesquisadores criaram mais de 400 comunidades de bactérias do solo, todas nativas do solo ao redor do MIT. Os pesquisadores estabeleceram comunidades de 12 a 20 espécies de bactérias e, seis dias depois, adicionaram uma espécie escolhida aleatoriamente como invasora. No 12º dia do experimento, eles sequenciaram os genomas de todas as bactérias para determinar se o invasor havia se estabelecido no ecossistema.
Em cada comunidade, os pesquisadores também variaram os níveis de nutrientes no meio de cultura em que as bactérias foram cultivadas. Quando os níveis de nutrientes eram elevados, os micróbios apresentavam fortes interações, caracterizadas por uma competição intensificada por alimentos e outros recursos, ou inibição mútua através de mecanismos como efeitos de toxinas cruzadas mediados pelo pH. Algumas dessas populações formaram estados estáveis nos quais a fração de cada micróbio não variou muito ao longo do tempo, enquanto outras formaram comunidades nas quais o número da maioria das espécies flutuou.
Os pesquisadores descobriram que essas flutuações foram o fator mais importante no resultado da invasão. As comunidades que apresentavam mais flutuações tendiam a ser mais diversificadas, mas também tinham maior probabilidade de serem invadidas com sucesso.
“A flutuação não é impulsionada por mudanças no ambiente, mas é uma flutuação interna impulsionada pela interação das espécies. E o que descobrimos é que as comunidades flutuantes são mais facilmente invadidas e também mais diversificadas do que as estáveis”, diz Hu.
Em algumas das populações onde o invasor se estabeleceu, as demais espécies permaneceram, mas em menor número. Noutras populações, algumas das espécies residentes foram superadas e desapareceram completamente. Este deslocamento tendia a acontecer com mais frequência em ecossistemas quando havia interações competitivas mais fortes entre as espécies.
Em ecossistemas que tinham populações mais estáveis e menos diversificadas, com interações mais fortes entre espécies, as invasões tinham maior probabilidade de falhar.
Independentemente de a comunidade ser estável ou flutuante, os investigadores descobriram que a fração das espécies originais que sobreviveram na comunidade antes da invasão prevê a probabilidade de sucesso da invasão. Esta “fracção de sobrevivência” poderia ser estimada em comunidades naturais tomando o rácio entre a diversidade dentro de uma comunidade native (medida pelo número de espécies nessa área) e a diversidade regional (número de espécies encontradas em toda a região).
“Seria emocionante estudar se a diversidade native e regional poderia ser usada para prever a suscetibilidade à invasão em comunidades naturais”, diz Gore.
Prevendo o sucesso
Os investigadores também descobriram que, em certas circunstâncias, a ordem pela qual as espécies chegaram ao ecossistema desempenhou um papel no sucesso de uma invasão. Quando as interações entre as espécies eram fortes, as probabilities de uma espécie ser incorporada com sucesso diminuíam quando essa espécie period introduzida após outras espécies já terem se estabelecido.
Quando as interações são fracas, este “efeito de prioridade” desaparece e o mesmo equilíbrio estável é alcançado, independentemente da ordem em que os micróbios chegaram.
“Sob um regime de interação forte, descobrimos que o invasor tem alguma desvantagem porque chegou mais tarde. Isto é de interesse em ecologia porque as pessoas sempre descobriram que em alguns casos a ordem em que as espécies chegaram é muito importante, enquanto noutros casos não importa”, diz Hu.
Os investigadores planeiam agora tentar replicar as suas descobertas em ecossistemas para os quais existam dados sobre a diversidade de espécies, incluindo o microbioma intestinal humano. A sua fórmula poderia permitir-lhes prever o sucesso do tratamento probiótico, no qual bactérias benéficas são consumidas por through oral, ou FMT, um tratamento experimental para infecções graves, como C. difficileem que bactérias benéficas das fezes de um doador são transplantadas para o cólon de um paciente.
“As invasões podem ser prejudiciais ou boas, dependendo do contexto”, diz Hu. “Em alguns casos, como probióticos ou FMT para tratar C. difficile infecção, queremos que as espécies saudáveis invadam com sucesso. Também para proteção do solo, as pessoas introduzem probióticos ou espécies benéficas no solo. Nesse caso, as pessoas também querem que os invasores tenham sucesso.”
A pesquisa foi financiada pelo Prêmio Schmidt Polymath e pela Fundação Sloan.
