Environment-dependent diversity-stability relationship in microbial communities

Depuis des décennies, les écologues débattent d'une question simple mais tenace : le fait d'avoir davantage de formes de vie rend-il une communauté naturelle plus forte, ou la rend-il plus fragile ? D'un côté, l'idée que la diversité agit comme un filet de sécurité suggère que si de nombreuses espèces sont présentes, la perte ou l'oscillation de l'une d'entre elles peut être absorbée par les autres, maintenant ainsi la stabilité du système. De l'autre côté, les théories mathématiques suggèrent qu'à mesure qu'une communauté devient plus complexe avec plus de connexions entre les espèces, elle devient une toile emmêlée qui est plus facile à défaire. Les observations du monde réel ont offert des réponses pour les deux camps, laissant les scientifiques sans règle claire pour savoir quand la diversité aide et quand elle nuit. La pièce manquante a été de comprendre que l'environnement lui-même pourrait changer les règles du jeu, transformant une communauté stable en une communauté chaotique, ou vice versa, selon les conditions.

Un chercheur du laboratoire Shenzhen Bay s'est proposé de tester cette idée en observant comment les communautés bactériennes se comportent sous différentes températures et différents taux de dilution. Il n'a pas observé de forêts ou d'océans sauvages, mais des groupes de bactéries soigneusement assemblés dans un cadre de laboratoire. En faisant croître ces communautés dans un liquide riche en nutriments, puis en les diluant quotidiennement — ce qui revient essentiellement à prélever un minuscule échantillon et à ajouter de la nourriture fraîche — ils pouvaient observer les populations croître, s'effondrer et se rétablir sur de nombreuses générations. Ils ont testé ces communautés à travers une large gamme de températures, allant d'un frais dix degrés Celsius à un brûlant cinquante degrés, et ont également varié la quantité de dilution des cultures chaque jour. Leur objectif était de voir si la relation entre le nombre d'espèces présentes et l'ampleur des variations des populations changeait en fonction de l'environnement.

Ce qu'ils ont découvert, c'est que la relation entre la diversité et la stabilité n'est pas fixe ; elle dépend entièrement des conditions. Dans la plage intermédiaire de températures, autour de vingt à trente degrés Celsius, les communautés se comportaient d'une manière spécifique. Ici, de nombreuses espèces différentes vivaient ensemble et fluctuaient de manière synchronisée. Lorsque les nombres de population augmentaient ou diminuaient, ils le faisaient ensemble à travers de nombreux types de bactéries. Dans ce scénario, plus la communauté était diversifiée, plus elle devenait instable. Le chercheur a observé que dans ces conditions, les espèces les plus abondantes changeaient au fil du temps, différentes bactéries prenant le rôle de leader selon les jours. Cela suggère que le réseau complexe d'interactions entre de nombreuses espèces entraînait l'instabilité, créant un lien positif où plus de variété signifiait plus de mouvement.

Cependant, lorsque la température changeait vers les extrêmes, l'histoire changeait complètement. À quarante degrés, l'environnement devenait assez rude pour que seules quelques espèces robustes puissent survivre. Dans ces communautés, l'instabilité ne provenait pas d'un réseau complexe d'interactions. Au lieu de cela, elle était pilotée par une seule ou quelques espèces dominantes qui connaissaient des phases d'explosion puis de déclin de manière autonome. Ces effondrements de populations à une seule espèce se produisaient parce que les bactéries croissaient si vite qu'elles altéraient leur propre environnement, spécifument en changeant l'acidité du liquide, ce qui finissait par les tuer. Dans ce régime de haute température, avoir plus d'espèces ne rendait pas la communauté plus instable, et avoir moins d'espèces ne la rendait pas plus stable. Le lien entre la diversité et l'instabilité avait simplement disparu. Les fluctuations étaient causées par les limites physiques de l'environnement et le comportement d'un seul acteur dominant, et non par le nombre de joueurs dans le jeu.

Le chercheur a également testé ce qui se passait lorsqu'ils changeaient la quantité de dilution des cultures, en maintenant la température constante. Il a découvert que cela, lui aussi, pouvait faire basculer la communauté d'un type de comportement à l'autre. Lorsque la dilution était faible, permettant à plus de bactéries de survivre d'un jour à l'autre, les communautés avaient tendance à montrer à la fois des fluctuations collectives et des fluctuations de l'espèce dominante, ces dernières étant plus fréquentes dans ces conditions. Lorsque la dilution était forte, emportant la majeure partie de la population chaque jour, les communautés présentaient des fluctuations globales plus faibles. Cela a confirmé que l'environnement était l'interrupteur qui déterminait quelle règle s'appliquait.

Pour comprendre pourquoi cela se produisait, le chercheur a examiné de près comment les bactéries individuelles réagissaient à leurs propres déchets. Il a découvert qu'en croissant, les bactéries modifiaient le pH de leur environnement, le rendant soit trop acide, soit trop alcalin. À des températures plus élevées, ce changement se produisait plus rapidement et était plus mortel. Une population pouvait croître massivement en une seule journée, pour s'effondrer dramatiquement parce que l'environnement devenait toxique pour elle. Ce cycle de croissance rapide suivi d'un suicide environnemental créait des variations sauvages dans les nombres de population. Dans les températures modérées, de nombreuses espèces pouvaient tolérer ces changements et coexister, menant aux fluctuations collectives. Dans les températures plus rudes, seules les espèces les plus résistantes survivaient, et leur propre croissance devenait la cause de leur instabilité.

L'étude a utilisé des simulations informatiques pour confirmer que ce mécanisme était suffisant pour expliquer les résultats. En construisant un modèle où les bactéries entraient en compétition pour la nourriture et modifiaient le pH de leur habitat commun, le chercheur a pu reproduire à la fois les communautés stables, les fluctuations collectives et les effondrements d'espèces uniques. Le modèle a montré que lorsque la croissance était rapide et que l'environnement changeait rapidement, le système tombait naturellement dans l'un des deux schémas. Soit de nombreuses espèces fluctuaient ensemble, créant un lien entre la diversité et l'instabilité, soit une seule espèce dominait et s'effondrait seule, brisant ce lien.

Ce travail suggère que le long débat sur la question de savoir si la diversité stabilise ou déstabilise la nature pourrait passer à côté du contexte. La réponse n'est pas une règle universelle unique. Au contraire, la relation entre le nombre d'espèces présentes et la stabilité d'une communauté dépend de l'environnement. Dans certaines conditions, la diversité entraîne l'instabilité parce que de nombreuses espèces interagissent et réagissent les unes aux autres. Dans d'autres conditions, l'instabilité est pilotée par l'environnement lui-même, et la diversité ne joue aucun rôle. Le chercheur a montré qu'en changeant la température ou le taux de dilution, il pouvait basculer l'interrupteur entre ces deux mondes. Cela signifie que pour comprendre pourquoi une communauté est stable ou instable, nous ne devons pas regarder seulement combien d'espèces sont présentes, mais les conditions spécifiques qui façonnent la façon dont ces espèces croissent et meurent. Les règles du jeu changent avec la météo, et la stabilité de la vie dépend de l'ensemble de règles qui est actuellement en vigueur.