» » Микробное сообщество против теории нейтрализма

Микробное сообщество против теории нейтрализма

 

Микробное сообщество против теории нейтрализма

Комплекс бактерий пищеварительного тракта цыплят (на фото), а также других домашних животных, послужил прекрасной основой для исследования структурной организации сообществ. Фото с сайта www.sciencephoto.com

Бактериальный комплекс пищеварительной системы свиней, коров и цыплят был выбран для решения споров вокруг теории нейтрализма в экологии. Согласно этой теории, виды животных сосуществуют просто из-за того, что предпочитают сходные условия, а вовсе не из-за долгого взаимного приспособления к обществу друг друга и конкурентного соперничества за свою долю ресурса. Однако данные по соотношению видов в замкнутом микробном комплексе свидетельствуют не в пользу этой теории. Косвенные показатели, отражающие процесс разделения ресурсного пространства, всё же склоняют нас к традиционной экологической точке зрения.

В современной экологии вовсю идут споры о природе видовых ассоциаций: являются ли они простой суммой сосуществующих на одной территории видов или же это взаимоприспособленные друг к другу единицы? Первая из гипотез носит название теории нейтрализма, а вторая — это классическая модель дробных экологических ниш. Краткий обзор темы имеется в статье А. М. Гилярова «В поисках универсальных закономерностей организации сообществ: прогресс на пути нейтрализма». Проблема отношения к той или иной концепции состоит в том числе и в подборе надежных фактов. Они должны достаточно полно описывать целую ассоциацию (сообщество), содержать прямую или косвенную информацию об использовании ресурсной базы и поддаваться понятной количественной интерпретации. Если имеются претензии хотя бы к одному из этих требований, то всё исследование становится сомнительным. Группа американских ученых из Университета штата Вашингтон, Иллинойсcкого университета в Урбане и Шампейне совместно с Институтом Крейга Вентера (штат Мэриленд) и одним из подразделений Ратгерсовского университета (штат Нью-Джерси) посвятила этой теме весьма дотошно проведенную работу. Сильной ее стороной стал как раз хороший выбор естественного сообщества. В качестве такового были взяты сообщества бактерий желудочно-кишечного тракта трех видов домашних животных: коров, свиней и цыплят. Ясно, что это компактное (в теле одного животного), относительно замкнутое сообщество, использующее общую ресурсную базу.

Трудности начинаются с описания структурных единиц сообщества, в случае бактериального комплекса также непросто найти показатель взаимной приспособленности в потреблении ресурсов. Обе задачи были хитроумно решены с использованием метагеномных прочтений гена 16S РНК. Этот ген традиционно используется для характеристики видовой принадлежности бактерий. Для начала выявили всё разнообразие этого гена; получился набор кластеров. Эти конечные кластеры и были выбраны в качестве «видов» бактериальной ассоциации. Каждому из «видов» соответствовало его обилие. Обилие тоже выявляется в ходе анализа геномных последовательностей, например с помощью количественных ПЦР. Еще один важный показатель — филогенетическое расстояние между «видами», расчитанное по кладограммам (см. рис. 1)

 

Микробное сообщество против теории нейтрализма

Рис. 1. Основные данные, которые использовались в работе. «Виды», или OTU — operational taxonomic units (по смыслу это конкретные последовательности гена 16S РНК), показаны кружками, «видовое» обилие соответствующих OTU показано размером кружков. Филогенетическое расстояние между конкретными «видами» показано стрелкой. Изображение из обсуждаемой статьи в PNAS

 

Предполагается, что филогенетическое расстояние косвенно отражает деление ресурсов участниками микробного ансамбля. Близкие (то есть экологически близкие) друг другу «виды» произошли, скорее всего, один от другого, потому их должно разделять небольшое расстояние. Если ресурсные потребности видов сильно разошлись в ходе стабилизации микробного комплекса, то и расстояния окажутся больше. Важным является в данном случае распределение обилий видов и филогенетических расстояний между ними. Для удобства виды условно разделили на обычные и редкие в соответствии с обилиями в комплексе. Предположительно при нейтралистких взаимодействиях расстояния между видами более или менее случайные, а при дроблении ниш редкие виды группируются вокруг обычных (см. рис. 2, А). В первом случае распределение расстояний будет напоминать неправильный купол, пик его близок к среднему расстоянию для всех видов (методику расчетов модели лучше посмотреть в оригинальной статье, она основана на оценке расстояний Хэмминга). Во втором случае это будет монотонно убывающая функция, так как редкие виды должны иметь тенденцию группироваться вокруг частых видов (см. рис. 2, В).

 

Микробное сообщество против теории нейтрализма

Рис. 2. А — гипотетическое распределение частых (фиолетовые кружки) и редких (голубые кружки) видов. В — распределение филогенетических расстояний в случае нейтральной концепции и модели разделения ниш. Изображение из обсуждаемой статьи в PNAS

 

Но это всё разговор о моделях. А вот каковы реальные данные (см. рис. 3).

 

Микробное сообщество против теории нейтрализма

 

Микробное сообщество против теории нейтрализма

Рис. 3. Распределение обилий «видов» кишечной микрофлоры у двух свиней, двух коров и двух цыплят (соответственно левые, средние и правые графики). Красной линией показано распределение согласно нейтралистской модели (соответствие очень хорошее), но еще на каждом графике приведено число обильных видов (offset), которые сильно не укладываются в нейтралистскую модель. Изображение из обсуждаемой статьи в PNAS

Частотное распределение частых и редких «видов» по их обилиям очень хорошо соответствует нейтралистской концепции. Что же касается распределения филогенетических расстояний, то этот показатель, напротив, свидетельствует в пользу нишевой организации сообществ. При нейтральных отношениях, как показывает график на рис. 2, B, распределение филогенетических дистанций должно быть случайным, и этому соответствует неровная куполообразная зависимость. Чтобы смоделировать такие отношения, действовали обычным в таких случаях способом: случайным образом меняли местами виды с одинаковыми обилиями. В этом случае распределение частот видов оставалось прежним, а вот расстояния между видами оказывалось случайным. Оказалось, что естественное распределение филогенетических расстояний редких видов совсем не похоже на случайное. Оно, скорее, напоминает монотонно убывающую кривую, соответствующую нишевой организации видовых комплексов (см. рис. 4).

 

Микробное сообщество против теории нейтрализма

 

Микробное сообщество против теории нейтрализма

Рис. 4. Распределение частот редких «видов» кишечной микрофлоры у свиней, коров и цыплят. Красная линия — модельные расчеты, составленные по сконструированной случайной выборке видов. Случайные выборки составлялись таким образом, чтобы «видовые» обилия соответствовали естественным, зато филогенетическая дистанция могла оказаться какой угодно (виды с одинаковыми обилиями случайным образом меняли местами). Изображение из обсуждаемой статьи в PNAS

 

Получается, что микробное сообщество проявляет как свойства стохастически организованных комплексов, соответствующие нейтралистской модели, так и черты нишевой организации. Авторы исследования, однако, особо подчеркивают, что черты случайной организации могут появляться просто в силу свойств больших выборок. И это, по всей вероятности, та причина, которая ответственна за имитацию нейтральности в частотном распределении обилий «видов». Авторы всячески призывают использовать данные геномики сообществ в решении вопроса о нейтральности vs. нишевой структуре.

Сначала, по представлениям авторов, существует популяция вида, подразделенная на несколько субпопуляций с немного различающимися свойствами. Эти субпопуляции организуются вследствие стохастических процессов. Зато дальнейшее структурирование происходит по принципу дробления ниш и взаимоподгонки сосуществующих групп видов и популяций. Мне остается только напомнить, что постепенное разделение ресурсного пространства, соответствующую специализацию микроорганизмов и даже изменение ресурсного пространства в ходе совместных метаболических усилий микробов можно проследить в опытах (об этом см.: Эволюция видов в сообществе идет не так, как в монокультуре, «Элементы», 19.05.2012). И эти опыты свидетельствуют против концепции нейтрально организованных комплексов.

Источник: Patricio Jeraldo, Maksim Sipos, Nicholas Chia, Jennifer M. Brulca, A. Singh Dhillon, Michael E. Konkel, Charles L. Larson, Karen E. Nelson, Ani Qu, Lawrence B. Schook, Fang Yang, Bryan A. White, Nigel Goldenfeld. Quantification of the relative roles of niche and neutral processes in structuring gastrointestinal microbiomes // PNAS. Published online before print May 21, 2012.

Елена Наймарк

 

 

08 декабрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Нейронные сети, отвечающие за социальное поведение, эволюционируют очень медленно

Специализированный комплекс отделов мозга, управляющий социальным поведением, сначала был обнаружен у млекопитающих, затем у других наземных позвоночных и даже у рыб. 

Насекомые и пауки стремительно исчезают с лица Земли. Чем это грозит?

Даже если вы не любите насекомых и боитесь пауков, радоваться их исчезновению не стоит. Согласно результатам проведенных исследований, количество насекомых и пауков сокращается в лесах и лугах по

Муравьи и птицы не мешают друг другу есть гусениц

В умеренных широтах у растительноядных насекомых много врагов, главные из которых — муравьи и мелкие птицы. И до сих пор не ясно, дополняют ли они друг друга, или конкурируют за пищу. Ученые из США

Один и тот же ген регулирует развитие пигментной и структурной окраски крыльев у бабочек

Окраска насекомых может формироваться двумя способами: при помощи пигментов или из-за оптических эффектов на поверхности их тела. Второй способ — так называемая структурная окраска — в основном дает

Итальянская озерная лягушка вымерла, но геном ее живет

Зеленые лягушки отличаются крайне сложной системой видообразования. Некоторые их виды — гибридные и поддерживаются за счет постоянных скрещиваний с видами-«родителями». Свежее исследование показало,

Во Вселенной, возможно, существует «звезда смерти»

Ученые сделали вывод, что у Солнца может быть, такая себе, планета-сестра, которую мы не видим. Считается, что она относится к массовым вымираниям земных видов, которые периодически вспыхивали на
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Существует 50% вероятность того, что мы живем в симуляцииВремя эластично: почему на вершине горы время идет быстрее, чем на пляже?На МКС найдено место утечки воздуха. Что дальше?Почему птицы летают клиномКрупнейшая озоновая дыра зафиксирована над Антарктидой11 живописных мест на планете, раскрашенных самой осеньюКаким будет мир с населением 10 миллиардов человек?Самые красивые города на воде