Environment-dependent diversity-stability relationship in microbial communities

Per decenni, gli ecologi hanno dibattuto su una questione semplice ma ostinata: avere più tipi di vita rende una comunità naturale più forte o la rende più fragile? Da un lato, l'idea che la diversità agisca come una rete di sicurezza suggerisce che, se sono presenti molte specie, la perdita o l'oscillazione di una può essere assorbita dalle altre, mantenendo il sistema stabile. Dall'altro lato, le teorie matematiche suggeriscono che, man mano che una comunità diventa più complessa con più connessioni tra le specie, essa diventi una tela intricata che è più facile da scuotere e far a pezzi. Le osservazioni nel mondo reale hanno offerto risposte per entrambe le parti, lasciando gli scienziati senza una regola chiara per stabilire quando la maggiore diversità aiuti e quando danneggi. Il tassello mancante è stato comprendere che l'ambiente stesso potrebbe cambiare le regole del gioco, trasformando una comunità stabile in una caotica, o viceversa, a seconda delle condizioni.

Un ricercatore del Shenzhen Bay Laboratory si è posto l'obiettivo di testare questa idea osservando come si comportano le comunità batteriche sotto diverse temperature e tassi di diluizione. Non ha guardato foreste o oceani selvatici, ma gruppi di batteri accuratamente assemblati in un ambiente di laboratorio. Coltivando queste comunità in un liquido ricco di nutrienti e poi diluendole quotidianamente — essenzialmente prelevando un piccolo campione e aggiungendo cibo fresco — sono riusciti a osservare la crescita, il crollo e la ripresa delle popolazioni attraverso molte generazioni. Hanno testato queste comunità attraverso un ampio intervallo di temperature, da dieci gradi Celsius freschi fino a cinquanta gradi roventi, e hanno anche variato quanto diluivano le colture ogni giorno. Il loro obiettivo era vedere se la relazione tra il numero di specie presenti e le oscillazioni dei numeri di popolazione cambiasse a seconda dell'ambiente.

Ciò che hanno scoperto è che la relazione tra diversità e stabilità non è fissa; dipende interamente dalle condizioni. Nelle medie gamme di temperatura, intorno ai venti o trenta gradi Celsius, le comunità si comportavano in un modo specifico. In questo caso, molte specie diverse vivevano insieme e fluttuavano in sincronia. Quando i numeri della popolazione aumentavano o diminuivano, lo facevano insieme attraverso molti tipi diversi di batteri. In questo scenario, più la comunità era diversificata, più diventava instabile. Il ricercatore ha osservato che, in queste condizioni, le specie più abbondanti cambiavano nel tempo, con diversi batteri che prendevano il comando in giorni differenti. Ciò suggerisce che la complessa rete di interazioni tra molte specie stesse guidando l'instabilità, creando un legame positivo dove la maggiore varietà significava maggiore movimento.

Tuttavia, quando la temperatura si spostava agli estremi, la storia cambiava completamente. A quaranta gradi, l'ambiente diventava abbastanza ostile che solo poche specie resistenti potevano sopravvivere. In queste comunità, l'instabilità non derivava da una complessa rete di interazioni. Al contrario, era guidata da una o poche specie dominanti che proliferavano e poi crollavano da sole. Questi crolli di singole specie avvenivano perché i batteri crescevano così velocemente da alterare il proprio ambiente, specificamente cambiando l'acidità del liquido, il che finiva per ucciderli. In questo regime ad alta temperatura, avere più specie non rendeva la comunità più instabile, né avere meno specie la rendeva più stabile. Il legame tra diversità e instabilità semplicemente scompariva. Le fluttuazioni erano causate dai limiti fisici dell'ambiente e dal comportamento di un singolo giocatore dominante, non dal numero di giocatori nel gioco.

Il ricercatore ha anche testato cosa accadeva quando cambiavano la quantità di diluizione delle colture, mantenendo costante la temperatura. Ha scoperto che questo, a sua volta, poteva spostare la comunità da un tipo di comportamento all'altro. Quando la diluizione era debole, permettendo a più batteri di sopravvivere da un giorno all'altro, le comunità tendevano a mostrare sia fluttuazioni collettive che fluttuazioni di specie dominanti, con queste ultime più frequenti in tali condizioni. Quando la diluizione era forte, lavando via la maggior parte della popolazione ogni giorno, le comunità mostravano fluttuazioni complessivamente minori. Ciò ha confermato che l'ambiente era l'interruttore che determinava quale regola applicare.

Per capire perché ciò accadesse, il ricercatore ha esaminato da vicino come i singoli batteri reagissero ai propri scarti. Ha scoperto che, mentre i batteri crescevano, cambiavano il pH del loro ambiente, rendendolo troppo acido o troppo alcalino. Alle temperature più alte, questo cambiamento avveniva più velocemente ed era più letale. Una popolazione poteva crescere enormemente in un singolo giorno, per poi morire drasticamente perché l'ambiente diventava tossico per loro. Questo ciclo di crescita rapida seguita da suicidio ambientale creava le selvagge oscillazioni nei numeri della popolazione. Nelle temperature moderate, molte specie potevano tollerare questi cambiamenti e coesistere, portando alle fluttuazioni collettive. Nelle temperature più dure, solo le specie più resistenti sopravvivevano, e la loro stessa crescita diventava la causa della loro instabilità.

Lo studio ha utilizzato simulazioni al computer per confermare che questo meccanismo fosse sufficiente a spiegare i risultati. Costruendo un modello in cui i batteri competevano per il cibo e cambiavano il pH della loro casa condivisa, il ricercatore è riuscito a riprodurre sia le comunità stabili, sia le fluttuazioni collettive, sia i crolli di singole specie. Il modello ha mostrato che quando la crescita era veloce e l'ambiente cambiava rapidamente, il sistema cadeva naturalmente in uno dei due schemi. O molte specie fluttuavano insieme, creando un legame tra diversità e instabilità, oppure una singola specie dominava e crollava da sola, rompendo tale legame.

Questo lavoro suggerisce che il lungo dibattito sul fatto che la diversità stabilizzi o destabilizzi la natura potrebbe trascurare il contesto. La risposta non è una singola regola universale. Invece, la relazione tra quante specie sono presenti e quanto una comunità sia stabile dipende dall'ambiente. In alcune condizioni, la diversità guida l'instabilità perché molte specie interagiscono e reagiscono l'una all'altra. In altre condizioni, l'instabilità è guidata dall'ambiente stesso, e la diversità non gioca alcun ruolo. Il ricercatore ha dimostrato che, cambiando la temperatura o il tasso di diluizione, era possibile azionare l'interruttore tra questi due mondi. Ciò significa che per capire perché una comunità sia stabile o instabile, non dobbiamo guardare solo a quante specie ci sono, ma alle condizioni specifiche che modellano il modo in cui quelle specie crescono e muoiono. Le regole del gioco cambiano con il meteo, e la stabilità della vita dipende da quale set di regole è attualmente in gioco.