Замкнутые микробные сообщества самоорганизуются для постоянного круговорота углерода
Жизнь на Земле зависит от экологически обусловленных циклов питательных веществ для регенерации ресурсов. Стабильные циклы необходимы для сохранения экосистем, поскольку они позволяют восстанавливать ресурсы и питательные вещества. Понимание того, как циклы питательных веществ (азот, фосфор и т. д.) и ресурсов (например, углерод) возникают из сложной сети экологических процессов, является центральной проблемой в экологии.
Однако на сегодняшний день существует достаточно мало модельных экосистем, которые можно воспроизводить, манипулировать и количественно оценивать в лаборатории, что затрудняет определение того, как изменения в составе экосистем и окружающей среде влияют на цикличность.
С помощью нового высокоточного метода количественной оценки круговорота углерода ученые показали, что материально замкнутые микробные экосистемы (ЗМЭ) — герметичные микробные консорциумы, обеспеченные только светом, — самоорганизуются для надежного круговорота углерода. Их в дальнейшем можно будет принимать в качестве модельных биосфер для изучения того, как экосистемы устойчиво перерабатывают питательные вещества.
В своих работах ученые использовали ламинарные боксы и лабораторные ферментеры, с помощью которых сравнили копии различных ЗМЭ. Им удалось обнаружить, что круговорот углерода не сильно зависит от таксономии присутствующих бактерий. Более того, несмотря на сильные таксономические различия, самоорганизующиеся ЗМЭ демонстрируют сохраненный набор метаболических возможностей. Таким образом, возникающий углеродный цикл накладывает метаболические, но не таксономические ограничения на организацию экосистем.
Результаты работ указывают на идею о том, что возникающее функциональное свойство микробных сообществ с круговоротом углерода, вероятно, представляет собой сохраненный набор метаболических возможностей, которые устойчивы к изменениям в таксономической структуре системы. Однако некоторые аспекты функционирования сообщества, которые в исследовании не были измерены, могут зависеть от таксономической структуры сообщества, например, связывание фосфора, или филогенетического сохранения связанных фенотипических признаков. Например, старение автотрофов может обеспечить дополнительный углерод гетеротрофам и, таким образом, увеличить дыхание, усиливая рост автотрофов.
Данные исследования в дальнейшем могли бы дать представление о коэволюционной динамике, управляющей симбиозами в природных сообществах, и, возможно, об эколого-эволюционной динамике оптимизации генома экосистем.
