Environment-dependent diversity-stability relationship in microbial communities

द दशकों से, पारिस्थितिकीविदों (ecologists) ने एक सरल लेकिन जिद्दी सवाल पर बहस की है: क्या जीवन के अधिक प्रकार होने से एक प्राकृतिक समुदाय मजबूत होता है, या इससे वह अधिक नाजुक हो जाता है? एक ओर, यह विचार कि विविधता एक सुरक्षा जाल (safety net) के रूप में कार्य करती है, यह सुझाव देता है कि यदि कई प्रजातियां मौजूद हैं, तो एक के नुकसान या उतार-चढ़ाव को अन्य प्रजातियां झेल सकती हैं, जिससे पूरा तंत्र स्थिर रहता है। दूसरी ओर, गणितीय सिद्धांत सुझाव देते हैं कि जैसे-जैसे एक समुदाय प्रजातियों के बीच अधिक संबंधों के साथ अधिक जटिल होता जाता है, यह एक ऐसा उलझा हुआ जाल बन जाता है जिसे हिलाना आसान होता है। वास्तविक दुनिया के अवलोकनों ने दोनों पक्षों के लिए उत्तर दिए हैं, जिससे वैज्ञानिक इस बात के लिए बिना किसी स्पष्ट नियम के रह गए कि कब अधिक विविधता मदद करती है और कब नुकसान पहुँचाती है। जो हिस्सा गायब था, वह यह समझना था कि वातावरण स्वयं खेल के नियमों को बदल सकता है, जो परिस्थितियों के आधार पर एक स्थिर समुदाय को अराजक समुदाय में, या इसके विपरीत, बदल सकता है।

शेनझेन बे लैबोरेटरी के एक शोधकर्ता ने विभिन्न तापमानों और तनुकरण दरों (dilution rates) के तहत बैक्टीरिया समुदायों के व्यवहार को देखकर इस विचार का परीक्षण करने का निर्णय लिया। उन्होंने जंगली जंगलों या महासागरों को नहीं देखा, बल्कि प्रयोगशाला सेटिंग में सावधानीपूर्वक तैयार किए गए बैक्टीरिया के समूहों को देखा। इन समुदायों को पोषक तत्वों से भरपूर तरल में उगाकर और फिर उन्हें प्रतिदिन पतला करके—अनिवार्य रूप से एक छोटा नमूना लेकर और उसमें ताजा भोजन जोड़कर—वे कई पीढ़ियों तक उनकी आबादी को बढ़ते, गिरते और पुन: उबरते हुए देख सके। उन्होंने इन समुदायों का दस डिग्री सेल्सियस के ठंडे तापमान से लेकर पचास डिग्री सेल्सियस के भीषण तापमान तक एक विस्तृत श्रृंखला में परीक्षण किया, और यह भी बदला कि वे हर दिन संस्कृतियों (cultures) को कितना पतला करते थे। उनका लक्ष्य यह देखना था कि प्रजातियों की संख्या और जनसंख्या के उतार-चढ़ाव के बीच का संबंध पर्यावरण के आधार पर कैसे बदलता है।

उन्होंने पाया कि विविधता और स्थिरता के बीच का संबंध स्थिर नहीं है; यह पूरी तरह से स्थितियों पर निर्भर करता है। बीस से तीस डिग्री सेल्सियस के आसपास के मध्यम तापमान सीमा में, समुदाय एक विशिष्ट तरीके से व्यवहार करते थे। यहाँ, कई अलग-अलग प्रजातियाँ एक साथ रहती थीं और तालमेल में उतार-चढ़ाव करती थीं। जब जनसंख्या संख्या ऊपर-नीचे होती थी, तो वे कई अलग-अलग प्रकार के बैक्टीरिया में एक साथ ऐसा करते थे। इस परिदृश्य में, समुदाय जितना अधिक विविध होता था, वह उतना ही अस्थिर होता जाता था। शोधकर्ता ने देखा कि इन स्थितियों में, सबसे प्रचुर मात्रा में रहने वाली प्रजातियाँ समय के साथ बदलती रहती थीं, जिसमें अलग-अलग दिनों में अलग-अलग बैक्टीरिया नेतृत्व करते थे। यह सुझाव देता है कि कई प्रजातियों के बीच जटिल अंतःक्रियाओं का जाल अस्थिरता को प्रेरित कर रहा था, जिससे एक सकारात्मक संबंध बना जहाँ अधिक विविधता का अर्थ अधिक हलचल थी।

हालाँकि, जब तापमान चरम पर पहुँचा, तो कहानी पूरी तरह बदल गई। चालीस डिग्री पर, वातावरण इतना कठोर हो गया कि केवल कुछ ही कठिन प्रजातियाँ जीवित रह सकीं। इन समुदायों में, अस्थिरता जटिल अंतःक्रियाओं के जाल से नहीं आई थी। इसके बजाय, यह केवल एक या कुछ प्रमुख प्रजातियों द्वारा संचालित थी जो अपने आप में उछाल और गिरावट (boom and bust) का अनुभव करती थीं। ये एकल-प्रजाति वाले क्रैश इसलिए हुए क्योंकि बैक्टीरिया इतनी तेजी से बढ़े कि उन्होंने अपने स्वयं के वातावरण को बदल दिया, विशेष रूप से तरल की अम्लता (acidity) को बदलकर, जिसने अंततः उन्हें मार डाला। इस उच्च-तापमान शासन में, अधिक प्रजातियों का होना समुदाय को अधिक अस्थिर नहीं बनाता था, न ही कम प्रजातियों का होना इसे अधिक स्थिर बनाता था। अस्थिरता के साथ विविधता का संबंध बस गायब हो गया था। उतार-चढ़ाव पर्यावरण की भौतिक सीमाओं और एक एकल प्रमुख खिलाड़ी के व्यवहार के कारण थे, न कि खेल में खिलाड़ियों की संख्या के कारण।

शोधकर्ता ने यह भी परीक्षण किया कि जब उन्होंने तापमान को स्थिर रखते हुए संस्कृतियों को पतला करने की मात्रा को बदला, तो क्या हुआ। उन्होंने पाया कि यह भी समुदाय को एक प्रकार के व्यवहार से दूसरे प्रकार में बदल सकता है। जब तनुकरण (dilution) कमजोर था, जिससे एक दिन से दूसरे दिन तक अधिक बैक्टीरिया जीवित रह सकते थे, तो समुदायों में सामूहिक उतार-चढ़ाव और प्रमुख-प्रजाति के उतार-चढ़ाव दोनों के लक्षण दिखे, जिसमें बाद वाले इन स्थितियों के तहत अधिक बार देखे गए। जब तनुकरण मजबूत था, यानी हर दिन अधिकांश आबादी को बहा दिया गया, तो समुदायों में कुल मिलाकर कम उतार-चढ़ाव देखे गए। इसने पुष्टि की कि वातावरण ही वह स्विच था जो निर्धारित करता था कि कौन सा नियम लागू होगा।

यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हुआ, शोधकर्ता ने व्यक्तिगत रूप से बैक्टीरिया द्वारा अपने ही कचरे (waste) के प्रति कैसी प्रतिक्रिया दी, इस पर बारीकी से नज़र डाली। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे बैक्टीरिया बढ़ते हैं, वे अपने वातावरण के pH को बदलते हैं, जिससे वह या तो बहुत अम्लीय या बहुत क्षारीय हो जाता है। उच्च तापमान पर, यह परिवर्तन तेजी से और अधिक घातक होता है। एक जनसंख्या एक ही दिन में बहुत बड़ी हो सकती है, केवल इसलिए कि वह नाटकीय रूप से गिर गई क्योंकि वातावरण उनके लिए विषाक्त हो गया। तीव्र विकास के बाद पर्यावरणीय आत्महत्या के इस चक्र ने जनसंख्या संख्या में भारी उतार-चढ़ाव पैदा किया। मध्यम तापमान में, कई प्रजातियाँ इन परिवर्तनों को सहन कर सकती थीं और सह-अस्तित्व में रह सकती थीं, जिससे सामूहिक उतार-चढ़ाव हुए। कठोर तापमान में, केवल सबसे कठिन प्रजातियाँ ही जीवित रहीं, और उनकी अपनी वृद्धि ही उनकी अस्थिरता का कारण बन गई।

शोधकर्ता ने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग यह पुष्टि करने के लिए किया कि यह तंत्र परिणामों की व्याख्या करने के लिए पर्याप्त था। एक ऐसा मॉडल बनाकर जहाँ बैक्टीरिया भोजन के लिए प्रतिस्पर्धा करते थे और अपने साझा घर के pH को बदलते थे, शोधकर्ता दोनों प्रकार के परिणामों—सामूहिक उतार-चढ़ाव और एकल-प्रजाति क्रैश—को फिर से उत्पन्न करने में सक्षम रहे। मॉडल ने दिखाया कि जब विकास तेज था और वातावरण तेजी से बदला, तो प्रणाली स्वाभाविक रूप से दो पैटर्नों में से एक में गिर गई। या तो कई प्रजातियाँ एक साथ उतार-चढ़ाव करती थीं, जिससे विविधता और अस्थिरता के बीच एक संबंध बनता था, या एक एकल प्रजाति हावी हो जाती थी और अपने आप गिर जाती थी, जिससे वह लिंक टूट जाता था।

यह कार्य सुझाव देता है कि विविधता प्रकृति को स्थिर करती है या अस्थिर बनाती है, इस लंबे समय से चल रहे विवाद में संदर्भ (context) की कमी हो सकती है। उत्तर कोई एक सार्वभौमिक नियम नहीं है। इसके बजाय, मौजूद प्रजातियों की संख्या और एक समुदाय कितना स्थिर है, इसके बीच का संबंध पर्यावरण पर निर्भर करता है। कुछ स्थितियों में, विविधता अस्थिरता को प्रेरित करती है क्योंकि कई प्रजातियाँ एक-दूसरे के साथ अंतःक्रिया और प्रतिक्रिया करती हैं। अन्य स्थितियों में, अस्थिरता स्वयं पर्यावरण द्वारा संचालित होती है, और विविधता की इसमें कोई भूमिका नहीं होती। शोधकर्ता ने दिखाया कि तापमान या तनुकरण दर को बदलकर, वे इन दो दुनियाओं के बीच स्विच को बदल सकते थे। इसका अर्थ यह है कि किसी समुदाय को स्थिर या अस्थिर क्यों होने के बारे में समझने के लिए, हमें केवल यह नहीं देखना चाहिए कि वहां कितनी प्रजातियां हैं, बल्कि उन विशिष्ट परिस्थितियों को भी देखना चाहिए जो यह तय करती हैं कि वे प्रजातियां कैसे बढ़ती और मरती हैं। खेल के नियम मौसम के साथ बदल जाते हैं, और जीवन की स्थिरता इस बात पर निर्भर करती है कि वर्तमान में कौन से नियमों का सेट लागू है।