Environment-dependent diversity-stability relationship in microbial communities

Durante décadas, los ecólogos han debatido una pregunta simple pero persistente: ¿el hecho de tener más tipos de vida hace que una comunidad natural sea más fuerte o la hace más frágil? Por un lado, la idea de que la diversidad actúa como una red de seguridad sugiere que, si hay muchas especies presentes, la pérdida o el tambaleo de una puede ser absorbido por las demás, manteniendo estable todo el sistema. Por otro lado, las teorías matemáticas sugieren que, a medida que una comunidad se vuelve más compleja con más conexiones entre las especies, se convierte en una red enmarañada que es más fácil de desmoronar. Las observaciones del mundo real han ofrecido respuestas para ambos bandos, dejando a los científicos sin una regla clara de cuándo más diversidad ayuda y cuándo perjudica. La pieza faltante ha sido comprender que el propio entorno puede cambiar las reglas del juego, convirtiendo una comunidad estable en una caótica, o viceversa, dependiendo de las condiciones.

Un investigador del Laboratorio de Shenzhen Bay se propuso probar esta idea observando cómo se comportan las comunidades bacterianas bajo diferentes temperaturas y tasas de dilución. No observó bosques o océanos silvestres, sino grupos de bacterias cuidadosamente ensamblados en un entorno de laboratorio. Al cultivar estas comunidades en un líquido rico en nutrientes y luego diluirlas diariamente —esencialmente tomando una pequeña muestra y añadiendo comida fresca—, pudieron observar cómo las poblaciones crecían, colapsaban y se recuperaban a lo largo de muchas generaciones. Probaron estas comunidades en un amplio rango de temperaturas, desde unos frescos diez grados Celsius hasta unos abrasadores cincuenta grados, y también variaron cuánto diluían los cultivos cada día. Su objetivo era ver si la relación entre cuántas especies estaban presentes y cuánto fluctuaban los números de la población cambiaba dependiendo del entorno.

Lo que encontraron fue que la relación entre la diversidad y la estabilidad no es fija; depende enteramente de las condiciones. En el rango medio de temperaturas, alrededor de veinte a treinta grados Celsius, las comunidades se comportaron de una manera específica. Aquí, muchas especies diferentes vivían juntas y fluctuaban en sincronía. Cuando los números de la población subían y bajaban, lo hacían juntos a través de muchos tipos diferentes de bacterias. En este escenario, cuanto más diversa era la comunidad, más inestable se volvía. El investigador observó que, en estas condiciones, las especies que eran más abundantes cambiaban con el tiempo, con diferentes bacterias tomando el liderazgo en días distintos. Esto sugiere que la compleja red de interacciones entre muchas especies estaba impulsando la inestabilidad, creando un vínculo positivo donde más variedad significaba más movimiento.

Sin embargo, cuando la temperatura cambió a los extremos, la historia cambió por completo. A cuarenta grados, el entorno se volvió lo suficientemente duro como para que solo unas pocas especies resistentes pudieran sobrevivir. En estas comunidades, la inestabilidad no provenía de una red compleja de interacciones. En su lugar, era impulsada por una o pocas especies dominantes que prosperaban y luego colapsaban por su cuenta. Estos colapsos de una sola especie ocurrían porque las bacterias crecían tan rápido que alteraban su propio entorno, específicamente cambiando la acidez del líquido, lo que eventualmente las mataba. En este régimen de alta temperatura, tener más especies no hacía que la comunidad fuera más inestable, ni tener menos especies la hacía más estable. El vínculo entre la diversidad y la inestabilidad simplemente desapareció. Las fluctuaciones eran causadas por los límites físicos del entorno y el comportamiento de un solo jugador dominante, no por el número de jugadores en el juego.

El investigador también probó qué pasaba cuando cambiaban cuánto diluían los cultivos, manteniendo la temperatura constante. Descubrieron que esto, también, podía desplazar a la comunidad de un tipo de comportamiento al otro. Cuando la dilución era débil, permitiendo que más bacterias sobrevivieran de un día para otro, las comunidades tendían a mostrar tanto fluctuaciones colectivas como fluctuaciones de especies dominantes, siendo estas últimas más frecuentes bajo estas condiciones. Cuando la dilución era fuerte, lavando a la mayor parte de la población cada día, las comunidades mostraban fluctuaciones menores en general. Esto confirmó que el entorno era el interruptor que determinaba qué regla se aplicaba.

Para entender por qué sucedió esto, el investigador observó de cerca cómo reaccionaban las bacterias individuales a sus propios desechos. Descubrieron que, a medida que las bacterias crecían, cambiaban el pH de su entorno, haciéndolo demasiado ácido o demasiado alcalino. A temperaturas más altas, este cambio ocurría más rápido y era más mortal. Una población podía crecer enormemente en un solo día, solo para morir drásticamente porque el entorno se volvía tóxico para ellos. Este ciclo de crecimiento rápido seguido de un suicidio ambiental creaba los cambios salvajes en los números de la población. En las temperaturas moderadas, muchas especies podían tolerar estos cambios y coexistir, lo que llevaba a las fluctuaciones colectivas. En las temperaturas más duras, solo las especies más resistentes sobrevivían, y su propio crecimiento se convertía en la causa de su inestabilidad.

El estudio utilizó simulaciones por computadora para confirmar que este mecanismo era suficiente para explicar los resultados. Al construir un modelo donde las bacterias competían por la comida y cambiaban el pH de su hogar compartido, el investigador pudo reproducir tanto las comunidades estables, las fluctuaciones colectivas, como los colapsos de una sola especie. El modelo mostró que cuando el crecimiento era rápido y el entorno cambiaba rápidamente, el sistema naturalmente caía en uno de dos patrones. O bien muchas especies fluctuaban juntas, creando un vínculo entre la diversidad y la inestabilidad, o una sola especie dominaba y colapsaba por su cuenta, rompiendo ese vínculo.

Este trabajo sugiere que el debate de larga data sobre si la diversidad estabiliza o desestabiliza la naturaleza podría estar ignorando el contexto. La respuesta no es una regla universal única. En cambio, la relación entre cuántas especies están presentes y qué tan estable es la comunidad depende del entorno. En algunas condiciones, la diversidad impulsa la inestabilidad porque muchas especies están interactuando y reaccionando entre sí. En otras condiciones, la inestabilidad es impulsada por el entorno mismo, y la diversidad no juega ningún papel. El investigador demostró que, al cambiar la temperatura o la tasa de dilución, podían accionar el interruptor entre estos dos mundos. Esto significa que para entender por qué una comunidad es estable o inestable, debemos mirar no solo cuántas especies hay, sino las condiciones específicas que moldean cómo esas especies crecen y mueren. Las reglas del juego cambian con el clima, y la estabilidad de la vida depende de qué conjunto de reglas está en juego actualmente.