A abordagem foi proveitosa. Em 2022, Gore e colegas descobriram que as comunidades ecológicas sofrer transições de fase – Um princípio de organização central na física que descreve, por exemplo, a mudança da água de gelo sólido para líquido para gás. À medida que os pesquisadores aumentaram o número de espécies em seus ecossistemas experimentais ou a força das interações entre espécies, os ecossistemas podem progredir em três fases. Na primeira fase, todas as populações bacterianas permaneceram estáveis. Na segunda fase, algumas espécies morreram enquanto outras sobreviveram. E na fase três, as populações das espécies restantes começaram a oscilar loucamente, revelando uma perda de estabilidade.
Gore se perguntou o que aconteceria com suas comunidades microbianas se ele enviasse um potencial agente do caos – um intruso.
Dinâmica de nicho
O que torna um ecossistema vulnerável ou resiliente diante da invasão não é apenas um exercício acadêmico; É uma das questões mais importantes da ecologia. Proteger ecossistemas vulneráveis de espécies invasoras prejudiciais pode salvar a vida selvagem em risco e impedir bilhões de dólares em danos ambientais a cada ano. Em um nível microscópico, impedindo a aquisição hostil dos ecossistemas microbianos geralmente benéficos que habitam nossas tripas poderiam proteger muitas milhares de pessoas anualmente de doenças graves.
“As espécies invasoras são um dos principais fatores desses tipos de problemas”, disse Gore. Ele percebeu, porém, que muitos estudos pareciam se concentrar em quais propriedades tornam um invasor mais ou menos bem -sucedido, com poucos perguntando o que torna um ecossistema mais ou menos aberto à invasão.
Para explorar essa pergunta, Jiliang Hu, então estudante de graduação no laboratório de Gore, saiu e coletou solo de um gramado no campus do MIT, além de folhas de árvores e água próximas do rio Charles. Usando bactérias isoladas dessas amostras, ele estabeleceu centenas de comunidades, cada uma composta por um conjunto diferente de 20 espécies bacterianas (de um pool maior de 80) e as alimentou por uma semana para dar -lhes tempo para se estabilizar.
Para criar diferentes tipos de redes ecológicas, os cientistas alimentavam mais nutrientes a algumas comunidades do que para outras. Eles sabiam de experimentos anteriores que alterar os níveis de nutrientes poderia fazer com que os micróbios competam mais intensamente por alimentos e outros recursos, criando interações mais fortes entre as espécies.
Em todos os ecossistemas, a maioria das espécies iniciais morreu. Em aproximadamente metade dos ecossistemas, as espécies bacterianas restantes se estabeleceram em um estado estável no qual as populações permaneciam estáveis. Na outra metade, as populações subiram e caíram descontroladamente. Consistente com o estudo de 2022, descobrindo transições de fase, esses ecossistemas de montanha-russa abrigavam mais diversidade de espécies, talvez porque as flutuações criaram mais papéis ecológicos, ou nichos, para uma espécie preencher um ecossistema.
Os cientistas então tentaram atrapalhar os ecossistemas. Para alguns poços, eles adicionaram uma espécie adicional escolhida aleatoriamente – um invasor. Os ecossistemas não invadidos serviram como controles. Depois de mais uma semana, os cientistas sequenciaram partes dos genomas bacterianos, para ver se o invasor havia se estabelecido com sucesso e comprou a biomassa whole em cada ecossistema.
Surpreendentemente, os invasores tiveram oito vezes mais possibilities de sobreviver nos diversos ecossistemas de cima e para baixo do que nos estáveis, com poucos patins. O resultado “não foi o que você esperaria”, disse Gore, com base nas idéias de Elton. As flutuações nas populações ao longo do tempo, especuladas, poderiam abrir nichos ecológicos para novas espécies.
Para estudar os efeitos de espécies invasivas, o físico biológico Jiliang Hu cultivou centenas de ecossistemas microbianos no laboratório – e depois introduziu uma nova espécie para ver como os sistemas mudaram.
Os pesquisadores também descobriram que comunidades de espécies que interagem fortemente entre si tinham maior probabilidade de repelir invasores. No entanto, quando um invasor conseguiu entrar em uma dessas comunidades de alta interação, muitas vezes teve um efeito dramático, aumentando bastante a biomassa whole da comunidade.
Esse resultado fornece uma demonstração muito clara de como uma espécie invasiva pode mudar um ecossistema, disse Shoemaker, que revisou o artigo da revista. “Se eu estivesse ensinando um curso de ecologia microbiana e queria mostrar os efeitos de uma invasão, isso é algo que eu mostraria”.
Modo de sobrevivência
Gore e sua equipe procuraram uma maneira de prever a probabilidade de sucesso ou fracasso de um invasor – e encontraram uma na primeira etapa do experimento. Cada ecossistema microbiano começou com 20 espécies. Depois de uma semana para se estabelecer e se estabilizar, apenas uma fração dessas espécies sobreviveu. Gore chama isso de “fração de sobrevivência”.
Os ecologistas de campo tradicionais também usam esse tipo de relação de sobrevivência, embora tenham um jaringue diferente. “Diversidade Gamma” descreve todas as espécies que sobrevivem em uma região ampla, como um estado ou município, enquanto a “diversidade alfa” descreve o subconjunto daquelas espécies que vivem juntas em um ecossistema específico, como um parque ou lagoa native. A fração de sobrevivência de Gore é a proporção da diversidade alfa e gama. E ele descobriu que quanto maior essa proporção em seus microcosmos – mais espécies sobreviveram à sua formação inicial – maior a probabilidade de um invasor sobreviver também.
Para Gore, isso faz sentido: se mais espécies “nativas” podem coexistir em um ecossistema, é lógico que um invasor possa encontrar uma maneira de coexistir com eles também. Essa fração de sobrevivência, disse ele, pode ser um conceito unificador que pode prever a probabilidade de um ecossistema pure resistir ou sucumbir a uma espécie invasiva.
Mas quão bem seus resultados se encaixavam na teoria ecológica tradicional? Para descobrir, Gore e seus colegas procuraram um dos primeiros modelos matemáticos em ecologia. Na década de 1920, dois matemáticos-cientistas escreveram independentemente um conjunto de equações-que se tornou conhecido como modelo Lotka-Volterra-que prevê como a população de uma espécie varia como resultado de suas interações com outras espécies. Famosamente, esse modelo revela flutuações nas populações de predadores e presas em oposição entre si por muitas gerações. Por exemplo, em um ecossistema em que os linses se espalham por lebres, uma crescente população de lince eventualmente se rejeita e trava a população de lebre, o que resulta em escassez de alimentos e o declínio dos linsetes, o que permite que as lebres se recuperem e assim por diante. Os pesquisadores se perguntaram se esse modelo também poderia explicar seus ecossistemas microbianos flutuantes.
Quando eles executaram uma versão de um modelo de Lotka-Volterra modificado para introduzir uma espécie externa na comunidade, descobriram que as flutuações da população tornavam as comunidades mais diversas mais propensas a serem invadidas. Ser capaz de replicar seus resultados surpreendentes em um modelo simples e testado pelo tempo period reconfortante, disse Gore. “Está lhe dizendo que você não precisa invocar mecanismos estranhos adicionais” para explicar como seus micróbios se comportaram, disse ele. “Pode ser uma propriedade emergente surpreendente desses complexos sistemas dinâmicos”.
No entanto, essas dinâmicas podem não operar igualmente em todos os lugares. Por exemplo, Levine, que estuda principalmente os ecossistemas de plantas, duvida que as rápidas flutuações da população encontradas nos micróbios de Gore desempenhem um papel importante em ecossistemas como florestas ou pastagens, que são dominadas por organismos como árvores e gramíneas perenes que podem viver por décadas. Mas ele acha que eles podem ser influentes nas comunidades onde as gerações são mais curtas, como as de insetos ou plâncton.
Um próximo passo, disse Levine, pode ser examinar o que está por baixo da população que oscilam a equipe de Gore. Essas flutuações, disse ele, são motivadas por interações ainda desconhecidas entre espécies ou com seu ambiente. Provocar exatamente como esses mecanismos subjacentes mantêm a diversidade enquanto aumentam a suscetibilidade à invasão, Levine disse: “seria fascinante”.
