Blogo pasiėmimas su gėriu | gamta

Blogo pasiėmimas su gėriu | gamta

Anonim

Dalykai

  • Antibiotikai
  • Ekologija
  • Mikrobiologija

Modeliavus sąveiką tarp antibiotikų gamybos ir antibiotikų skilimo paaiškėja, kad šios priešingos veiklos yra pagrindinės norint išlaikyti įvairovę mikrobų bendruomenėse. Žr. P. 516

Mes paprastai tikimės, kad konkurencinga ekologinė sąveika bus trumpalaikė: jei varnos išstumia varnas, o varnos išstumia žandikaulius, tada varnos turėtų atstoti ir varnas. Tačiau pasaulis ne visada veikia tokiu būdu. Mokslininkai vis dažniau randa nejautrių ryšių, kuriuose varnos išstumia varnas, kurios išstumia varnas, kurios savo ruožtu išstumia varnas. Intranzityvūs ryšiai vyksta su gyvūnais 1, 2, augalais 3, 4 ir mikrobais 5, 6 . Teoriniai modeliai rodo, kad rūšių gausa gali keistis nejutingose ​​bendruomenėse, iš esmės išsaugojant rūšių įvairovę 7, 8 . Tačiau baigtinėse populiacijose išnykimas gali lengvai įvykti, kai vieno tipo ciklas yra mažas. Šio leidimo 516 puslapyje Kelsic et al . 9 modeliuojama nepersikeičianti sistema, kurioje mikrobų rūšys gamina antimikrobinius junginius ir pasižymi skirtingu jautrumu konkurentų produktams. Parodydami, kad antimikrobinis skilimas gali stabilizuoti kelių rūšių bendruomenę, autoriai siūlo naują sprendimą dėlionės, kaip palaikoma bakterijų įvairovė, sprendimo 10 .

Norėdami iliustruoti „Kelsic“ ir jo kolegų modelį, pagalvokite apie daugeliui žinomą „akmens popieriaus žirklių“ (RPS) scenarijų kaip žaidimą. Įsivaizduokite tris mikrobų rūšis, vadinamas uoliena, popieriumi ir žirklėmis, iš kurių kiekvienas gamina unikalų antimikrobinį junginį ir yra atsparus savo toksinui. Jei Rokas žudo žirkles, žirklės žudo popierių, o popierius žudo Roką, turime įprastą situaciją (1a pav.). Kiekviena bakterijų rūšis turi apsisaugoti nuo aukos toksinų; pavyzdžiui, žirklės apsaugo save nuo popieriaus toksino. Kelsic et al . sutelktas į apleistą šios apsaugos aspektą: ji gali būti neišskiriama, tai reiškia, kad apsauga gali pasireikšti ir kitoms rūšims.

Image

a) Įprastiniame žaidime su akmenimis-popieriumi-žirklėmis uola plaka žirklėmis, kurios muša popierių, kuris muša uolą. Čia Rokas, popierius ir žirklės reprezentuoja bakterijų rūšis, kurių kiekviena gamina antimikrobinį toksiną (juodąsias linijas). Kiekviena rūšis yra apsaugota nuo aukos gaminamo toksino. Kelsic et al . 9 rodo, kad kai toks imunitetas nėra „nesandarus“, trijų rūšių proporcijos kinta nestabiliais ciklais, kol netenka dviejų rūšių. b ) Kai imunitetas atsiranda dėl antibiotikų skaidymo, ši apsauga gali prasiskleisti kitoms rūšims (spalvotoms linijoms). Kai tokių „viešųjų gėrybių“ gaminama tinkamu kiekiu, ciklai silpnėja ir visos trys rūšys išlieka stabilios.

Visas dydis

Toks „nesandarumas“ gali atsirasti, jei ląstelė ardo konkuruojančios rūšies antimikrobines medžiagas, išskirdama fermentus, kurie daro darbą išorėje, arba išjungdami konkurentų antimikrobinius vaistus, kai jie pateko į ląstelę 11 . Bet kuriuo atveju sumažėja antimikrobinių medžiagų koncentracija aplinkoje. RPS scenarijus gali būti pritaikytas atsižvelgiant į šį nesandarumą. Pavyzdžiui, kai žirklės apsisaugo nuo popieriaus toksino, dalinė apsauga būtų taikoma ir Rokui - žirklės netyčia padeda savo priešui (1b pav., Oranžinė linija). Kelsicas ir jo kolegos sukūrė matematinį modelį, parodantį, kad nesandarios apsaugos „viešoji gėrybė“ ir toksinų gamybos „visuomenės blogis“ gali sąveikauti, kad būtų galima užtikrinti stabilų kelių rūšių sambūvį.

Modeliai su difuzinėmis viešosiomis gėrybėmis ir viešosiomis gėrybėmis yra sudėtingi. Norėdami pagerinti savo intuiciją apie Kelsic ir jo kolegų modelį, pervardykime šią gyventojų sąveiką kaip dviejų žaidėjų žaidimą. Užuot turėję daug toksiškų mikrobų, sąveikaujančių vienas su kitu tuo pačiu metu, mes apsvarstome porų sąveiką tarp asmenų, kurių kiekvienas vaidina vieną iš RPS strategijų. Žaidėjai susitinka atsitiktinai ir gauna 1 išmokėjimą už laimėjimą ar nupiešimą ir 0 už pralaimėjimą. Tada jie kartojasi pagal savo atlyginimą ir ištikimai perduoda savo strategijas savo palikuonims. Žmonių, žaidžiančių šį žaidimą, populiacija išgyvena nestabilius ciklus; šis scenarijus atitinka matematinį modelį, kurį sukūrė Kelsic et al . kai nėra nesandarios apsaugos. Jei vietoj to išmokėjimas už laimėjimą yra 2, piešimas yra 1, o pralaimėjimas yra 0, turime RPS žaidimą, kuris yra dažniau tiriamas literatūroje; šios versijos ciklai yra neutraliai stabilūs 8 . Nesvarbu, ar ciklai yra neutralūs, ar nestabilūs, ribotoje populiacijoje dvi iš trijų strategijų bus prarastos (1a pav.).

Dabar tarkime, kad prie žaidimo pridedame vieną ar daugiau „pašalinių žaidėjų“. Poroje galimas laimėtojas yra neveiksmingas, jei jo priešas stovi šalia, o žaidimas baigiasi lygiosiomis. Pasirinkus vieną ar du pašalinius žmones, atsitiktinai parinktus iš gyventojų, tikimybė turėti pašalinį asmenį, kuris gali trukdyti, yra per maža, kad būtų galima kokybiškai pakeisti dinamiką. Tačiau turint daugiau pašalinių žmonių, dinamika visiškai pasikeičia: bendruomenė gali pasiekti stabilią trijų strategijų pusiausvyrą, kurioje visos trys rūšys gali egzistuoti neribotą laiką (1b pav.). Kuo daugiau pašalinių žmonių, tuo lengviau išlaikyti sambūvį.

Kodėl pašaliniai žmonės palengvina sambūvį? Įprastame RPS žaidime kiekvienas tipas tiesiogiai žaloja savo auką ir taip netiesiogiai padeda priešui (aukos aukai). Šis procesas vyksta ir pašalinėje žaidimo versijoje, tačiau, be to, kiekvienas tipas tiesiogiai padeda savo priešui. Kaip žaidėjas, „Paper“ nugali „Rock“ partnerį; ir kaip pašalinis asmuo neleidžia Rokui nugalėti žirklių. Taigi „Paper“ padeda žirklėms dviem būdais: sumažinant viso roko žaidėjų dalį (netiesioginį kelią) ir palengvinant žalą, kurią Rokas daro žirklėms, kai jos susitinka (tiesioginis maršrutas). Jei vienas tipas pakankamai padeda savo priešui tiesioginiu keliu, papildomas grįžtamasis ryšys sustabdo bet kokio tipo paplitimo paplitimą ir gali stabilizuoti visą bendruomenę.

Pridedant pašalinius asmenis prie pagrindinio RPS žaidimo, modelis užfiksuoja esminį biologinį bakterijų sąveikos bruožą, kuris lėmė Kelsic ir kolegų išvadas: kad pirmosios rūšies bakterijos apsaugo antrosios bakterijas, kai jos apsisaugo, išjungdamos antimikrobinį junginio junginį. trečias. Taigi pašalinių asmenų įtraukimas užfiksuoja antimikrobinės apsaugos nesandarumą. (Išsamų pašalinių žmonių modelio ir jo dinamikos aprašymą galite rasti apsilankę go.nature.com/yjzkfm.)

Kelsic et al . duoti keletą svarbių indėlių į mūsų supratimą apie mikrobų bendruomenės dinamiką. Jie eksperimentiškai įrodo, kad vienas mikrobas gali apsaugoti antrą nuo trečiojo. Jie matematiškai parodo, kaip pašalinių asmenų apsauga gali stabilizuoti daugelio rūšių bakterijų bendruomenes. Jie rodo, kad jų kokybiniai duomenys yra tvirti dėl modelio formos, jo parametrų, bendrijos struktūros ir rūšių skaičiaus kitimo. Galiausiai jie parodo, kad naujų strategijų vystymasis neturi sutrikdyti stabilių tokio tipo bendruomenių. Visų pirma, sambūvis gali būti tvirtas prieš „apgavikus“: mutantus, kurie, naudodamiesi kūno rengyba, nustoja gaminti viešąsias gėrybes ar bandeles.

Autoriai taip pat pripažįsta keletą savo darbo perspėjimų. Jei pašalinių asmenų apsauga yra per silpna arba per stipri, rūšys negali egzistuoti neribotą laiką. Net jei apsauga yra teisinga, sambūvis neįvyks, jei kiekvienos rūšies pradinės proporcijos bus per daug nevienodos.

Kelsic et al . išvedė pagrindinį teorinį rezultatą: kad iš principo kelios mikrobų rūšys gali neribotą laiką egzistuoti net gerai sumaišytoje aplinkoje be erdvinės refugijos. Kitas akivaizdus žingsnis yra grįžimas prie eksperimentinių tyrimų, siekiant patikrinti, ar šis mechanizmas gali palaikyti bakterijų įvairovę praktikoje. Ar apsauga yra pakankamai stipri, kad stabilizuotų sambūvį, ir ar gerai sumaišyta trijų rūšių sistema gali stabiliai egzistuoti laboratorinėmis sąlygomis? Sugyvenimas gali atlaikyti apgavikų atsiradimą modelyje; Ar tai galima padaryti ir mikrobų kultūroje? Mes nekantraujame sužinoti, ar natūraliose mikrobų bendruomenėse, kuriose vyksta nejautri konkurencija, įvairovė yra skatinama, kai viešosios gėrybės išima viešąsias gėrybes.

Pastabos

  1. 1.

    Peržiūrėkite visas naujienas ir vaizdus

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.