Environment-dependent diversity-stability relationship in microbial communities

على مدى عقود، ناقش علماء البيئة سؤالاً بسيطاً ولكنه مستعصٍ: هل يجعل وجود أنواع أكثر من الحياة المجتمع الطبيعي أقوى، أم يجعله أكثر هشاشة؟ في جانب، تشير فكرة أن التنوع يعمل كشبكة أمان إلى أنه إذا كانت هناك أنواع عديدة موجودة، فإن فقدان أو تذبذب أحدها يمكن استيعابه من قبل الأنواع الأخرى، مما يحافظ على استقرار النظام بأكمله. وفي الجانب الآخر، تشير النظريات الرياضية إلى أنه مع زيادة تعقيد المجتمع بوجود المزيد من الروابط بين الأنواع، فإنه يصبح شبكة متشابكة يسهل زعزعتها. وقد قدمت الملاحظات في العالم الحقيقي إجابات لكلا الجانبين، مما ترك العلماء دون قاعدة واضحة لمعرفة متى يساعد التنوع المتزايد ومتى يضر. لقد كانت القطعة المفقودة هي فهم أن البيئة نفسها قد تغير قواعد اللعبة، محولةً مجتمعاً مستقراً إلى مجتمع فوضوي، أو العكس، اعتماداً على الظروف.

قام باحث في مختبر شينزين باي (Shenzhen Bay Laboratory) باختبار هذه الفكرة من خلال مراقبة كيفية سلوك المجتمعات البكتيرية تحت درجات حرارة ومعدلات تخفيف مختلفة. لم ينظروا إلى الغابات البرية أو المحيطات، بل إلى مجموعات تم تجميعها بعناية من البكتيريا في بيئة مختبرية. ومن خلال تنمية هذه المجتمعات في سائل غني بالمغذيات ثم تخفيفها يومياً — أي أخذ عينة صغيرة وإضافة طعام طازج — تمكنوا من مراقبة نمو وتراجع وتعافي المجموعات عبر أجيال عديدة. لقد اختبروا هذه المجتمعات عبر نطاق واسع من درجات الحرارة، من عشر درجات مئوية باردة إلى خمسين درجة مئوية حارقة، كما قاموا بتغيير مقدار تخفيف المزارق كل يوم. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كانت العلاقة بين عدد الأنواع الموجودة ومدى تذبذب أعداد المجموعات يتغير اعتماداً على البيئة.

ما وجدوه هو أن العلاقة بين التنوع والاستقرار ليست ثابتة؛ فهي تعتمد كلياً على الظروف. في النطاق المتوسط لدرجات الحرارة، حوالي عشرين إلى ثلاثين درجة مئوية، تصرفت المجتمعات بطريقة محددة للغاية. هنا، عاشت أنواع عديدة معاً وتذبذبت بشكل متزامن. فعندما ارتففت وأنزلت أعداد المجموعات، فعلت ذلك معاً عبر أنواع مختلفة من البكتيريا. في هذا السيناريو، كلما زاد تنوع المجتمع، أصبح أكثر عدم استقرار. لاحظ الباحث في هذه الظروف أن الأنواع الأكثر وفرة ستتغير بمرور الوقت، حيث تتولى بكتيريا مختلفة القيادة في أيام مختلفة. يشير هذا إلى أن الشبكة المعقدة من التفاعلات بين العديد من الأنواع كانت تقود عدم الاستقرار، مما خلق رابطاً إيجابياً حيث يعني التنوع الأكبر حركة أكبر.

ومع ذلك، عندما تحولت درجة الحرارة إلى الأطراف القصوى، تغيرت القصة تماماً. عند درجة أربعين مئوية، أصبحت البيئة قاسية بما يكفي بحيث لا تستطيع البقاء إلا أنواع قليلة صلبة. في هذه المجتمعات، لم يكن عدم الاستقرار ناتجاً عن شبكة تفاعلات معقدة، بل كان مدفوعاً بنوع واحد أو أنواع قليلة مهيمنة كانت تزدهر ثم تنهار بمفردها. حدثت حالات الانهيار الفردية للأنواع هذه لأن البكتيريا نمت بسرعة كبيرة لدرجة أنها غيرت بيئتها الخاصة، وتحديداً عن طريق تغيير حموضة السائل، مما أدى في النهاية إلى القضاء عليها. في نظام درجات الحرارة المرتفعة هذا، لم يجعل وجود أنواع أكثر المجتمع أكثر عدم استقرار، ولم يجعل وجود أنواع أقل المجتمع أكثر استقراراً. ببساطة، اختفى الرابط بين التنوع وعدم الاستقرار. كانت التقلبات ناتجة عن الحدود الفيزيائية للبيئة وسلوك لاعب واحد مهيمن، وليس بسبب عدد اللاعبين في اللعبة.

اختبر الباحث أيضاً ما يحدث عندما يغيرون مقدار تخفيف المزارق، مع الحفاظ على ثبات درجة الحرارة. ووجدوا أن هذا أيضاً يمكن أن ينقل المجتمع من نوع سلوك إلى آخر. فعندما كان التخفيف ضعيفاً، مما يسمح لمزيد من البكتيريا بالبقاء من يوم لآخر، مالت المجتمعات لإظهار تقلبات جماعية وتقلبات الأنواع المهيمنة، حيث كان النوع الأخير أكثر تكراراً في ظل هذه الظروف. وعندما كان التخفيف قوياً، أي غسل معظم الجمهرة كل يوم، أظهرت المجتمعات تقلبات أصغر بشكل عام. أكد هذا أن البيئة كانت هي المفتاح الذي يحدد أي قاعدة تنطبق.

لفهم سبب حدوث ذلك، نظر الباحث عن كثب في كيفية تفاعل البكتيريا الفردية مع فضلاتها الخاصة. واكتشفوا أنه مع نمو البكتيريا، فإنها تغير درجة الحموضة (pH) في بيئتها، مما يجعلها إما شديدة الحموضة أو شديدة القلوية. في درجات الحرارة المرتفعة، كان هذا التغيير يحدث بشكل أسرع وكان أكثر فتكاً. يمكن للمجتمع أن ينمو بشكل هائل في يوم واحد، فقط ليموت بشكل دراماتيكي لأن البيئة أصبحت سامة له. خلق دورة النمو السريع المتبوع بالانتحار البيئي هذه تقلبات حادة في أعداد المجموعات. في درجات الحرارة المعتدلة، استطاعت أنواع عديدة تحمل هذه التغييرات والتعايش، مما أدى إلى التقلبات الجماعية. أما في درجات الحرارة الأكثر قسوة، فقد نجت الأنواع الأكثر صلابة فقط، وأصبح نموها الخاص هو سبب عدم استقرارها.

استخدمت الدراسة عمليات محاكاة حاسوبية للتأكد من أن هذه الآلية كافية لتفسير النتائج. ومن خلال بناء نموذج حيث تتنافس البكتيريا على الطعام وتغير درجة الحموضة لموطنها المشترك، استطاع الببحاث إعادة إنتاج كل من المجتمعات المستقرة، والتقلبات الجماعية، وانهيارات الأنواع المنفردة. أظهر النموذج أنه عندما يكون النمو سريعاً وتتغير البيئة بسرعة، يسقط النظام طبيعياً في أحد النمطين: إما أن تتقلب أنواع عديدة معاً، مما يخلق رابطاً بين التنوع وعدم الاستقرار، أو يهيمن نوع واحد وينهار بمفرده، مما يكسر هذا الرابط.

يشير هذا العمل إلى أن الجدل القائم منذ زمن طويل حول ما إذا كان التنوع يثبت الطبيعة أم يزعزع استقرارها قد يفتقر إلى السياق. الإجابة ليست قاعدة عالمية واحدة. بدلاً من ذلك، فإن العلاقة بين عدد الأنواع الموجودة ومدى استقرار المجتمع تعتمد على البيئة. في بعض الظروف، يدفع التنوع نحو عدم الاستقرار لأن العديد من الأنواع تتفاعل وتتفاعل مع بعضها البعض. وفي ظروف أخرى، يكون عدم الاستقرار مدفوعاً بالبيئة نفسها، ولا يلعب التنوع أي دور. لقد أظهر الباحث أنه من خلال تغيير درجة الحرارة أو معدل التخفيف، يمكنهم قلب المفتاح بين هذين العالمين. وهذا يعني أنه لفهم سبب كون المجتمع مستقراً أو غير مستقر، يجب ألا ننظر فقط إلى عدد الأنواع الموجودة، بل إلى الظروف المحددة التي تشكل كيفية نمو وتلاشي تلك الأنواع. قواعد اللعبة تتغير مع الطقس، واستقرار الحياة يعتمد على مجموعة القواعد التي تعمل حالياً.