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为何当整体环境恶化时,一些规模小的物种反而能逆袭?

为何当整体环境恶化时,一些规模小的物种反而能逆袭?

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Anne Trafton,标题图来自东方IC


稳定的生态系统偶尔也会经历能导致大范围死亡的事件。例如,人类肠道中的细菌可能被抗生素消灭,海洋生物可能因为过度捕捞而耗竭。那么,这样的事件会如何影响一个群落中的不同物种呢?在一项新的研究中,麻省理工学院的物理学家揭示出了这其中的奥秘。


在这项新的研究中,物理学家使用细菌来进行研究,他们发现当条件恶化时,一个在正常条件下只有较小种群规模的物种的数量可以大量增加。在此之前,已有相关的理论模型预测了这一现象,而如今在实验中的发现印证了之前的理论模型。他们将这项研究发表了在5月9日的《自然通讯》上。


物理学家Jeff Gore是论文作者之一,他表示:“对于复杂群落中的一种单一物种来说,死亡率的上升,并不一定意味着你最终也会受到伤害。还有一种可能的情况是,虽然死亡本身对你不是什么好事,但事实上你的竞争物种也在经历死亡率的上升,它们可能比你更敏感,而这意味着你可能会活得更好。”


这一研究结果可能也适用于真实世界中的那些更大的生物群体,只是我们很难在这些更大的生物体中进行研究测试。因为在试管中培养细菌可以是在高度受控的条件下进行的,而对更大的生物体来说,通常是不可能达到这样的实验条件的。


Gore相信,这种事情是可能发生在自然环境中的复杂群落里的,他们只是苦于很难作出可以真正确定这一点的必要实验。但在实验室环境中,研究人员是可以作出非常清楚地测量,然后非常明确地看见这种效应的。


竞争资源


在土壤、海洋或人类肠道等很多地方都存在许多的微生物群落,微生物群落通常包含数千个不同的物种。在Gore的实验室里,他们感兴趣的问题是,决定特定环境中存在哪些物种的因素是什么?这些生物群落的组成又会如何影响它们的功能?


通过在实验室中进行控制实验,Gore希望能了解不同物种之间是如何相互影响的,并且测试那些用于预测种群会如何对环境作出反应的假设。2013年,他发现了酵母中种群崩溃的早期征兆,还研究了不同物种的细菌如何彼此保护,共同抵御抗生素。Gore说:“我们通过利用那些在实验里易于处理的简单群落,找到决定哪些物种可以共存的原则,以及这些原则在不同环境中会如何变化。”


在去年发表的一篇论文中,Gore和同事们探索了这些实验结果是否有可能适用于更大的生物群落。他们发现,两个互为竞争关系的物种之间的相互作用,可以被用来预测当有三个物种相互竞争时的结果,其准确度大约为90%。


在这项新的研究中,Gore与该论文的第一作者Clare Abreu决定尝试看能否利用一对物种间的相互作用来预测当环境条件恶化时,三个相互竞争的物种会如何反应。为了在实验室中模拟这一过程,研究人员使用了稀释的方法:在每一天结束时,他们都要丢弃种群的很大一部分(从90%到99.999999%),然后将剩余部分转移到新鲜资源中。这或许与现实世界中的过度捕捞或栖息地丧失等情况相类似。


Gore说:“我们正试图弄清楚一个普遍的问题,那就是死亡率的上升将如何改变一个群落的构成。”研究人员研究了五种土壤细菌的组合。在实验中,他们每一次会对物种进行两两测试,结果发现了一种特定的模式,这个模式与经典的物种相互作用模型——洛特卡-沃尔泰拉模型(Lotka-Volterra model)的预测相符。洛特卡-沃尔泰拉模型描述的是那些只包含两个物种的生物系统,一个作为掠食者,另一个作为猎物,比如羚羊和豹,然后用方程描述这两个物种相互作用的动态过程。


根据这个模型的推测,环境条件的恶化应该有利于生长速度更快的物种。研究人员发现,情况确实如此:即使一开始在群落中占据优势的是生长速度较慢的物种,只要随着稀释率的增加,种群组成就会持续发生变化,到最后,占据了群落中更大比例、甚至是完全占据了群落的终究会是生长速度较快的物种。最终的具体结果取决于每个竞争者的实力,以及它们在初始群落中的相对丰富程度。


研究人员还发现,他们可以根据一对物种竞争的结果,来准确预测出三个共同生长的物种在环境恶化的情况下会发生什么。


系统生物学研究所的助理教授Sean Gibbons说:“对于我们对微生物生态学的理解而言,这是一个令人兴奋的进步。非特异性死亡率可以改变竞争的结果——这是令人感到惊讶的观察结果,尽管我们还需要做更多的工作来了解稀释是否对环境条件产生了更微妙的影响。”


种群模型


这项研究中分析的洛特卡-沃尔泰拉模型最初是为描述大型生物体之间的相互作用而开发的。这样的模型更容易在微生物种群中进行测试,因为相比于控制生活在森林中的动物的实验条件,控制细菌的实验条件要容易得多。


但是Gore也表示,我们并没有什么强烈的理由去认为,这些模型更适用于微生物而适用于大型生物。只是说对于微生物而言,研究人员可以一次研究数百个群落,然后转动一些实验旋钮就能进行清晰的测量。Gore说:“对于大型生物体而言,我们可以清楚地了解到,这些模型什么时候起作用,什么时候不起作用。”


Gore和他的学生们目前正在研究的是,特定的环境变化,比如温度和资源的变化,会如何改变微生物群落的组成。除此之外,他们也在试图通过实验来研究包括两个以上细菌物种的群落。


原文首发于2019年5月13日的MIT News,作者系麻省理工学院新闻办公室的生命科学作者Anne Trafton,原文标题为“How a declining environment affects populations”,副标题“Study finds that competition between bacterial species can be upended when conditions deteriorate”。 原文链接:https://theconversation.com/what-happens-when-a-raindrop-hits-a-puddle-115984. 中文内容略有修改,仅供参考,一切内容以英文原版为准。


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Anne Trafton,标题图来自东方IC

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