Environment-dependent diversity-stability relationship in microbial communities

Decennialang hebben ecologen gedebatteerd over een eenvoudige maar hardnekkige vraag: zorgt het hebben van meer soorten leven ervoor dat een natuurlijke gemeenschap sterker wordt, of maakt het haar juist kwetsbaarder? Aan de ene kant suggereert het idee dat diversiteit fungeert als een vangnet dat, indien veel soorten aanwezig zijn, de loss of schommeling van één soort kan opvangen door anderen, waardoor het hele systeem stabiel blijft. Aan de andere kant suggereren wiskundige theorieën dat naarmate een gemeenschap complexer wordt met meer verbindingen tussen soorten, het een verstrengeld web wordt dat gemakkelijker uit elkaar te schudden is. Waarnemingen in de echte wereld hebben antwoorden voor beide kanten geboden, waardoor wetenschappers zonder een duidelijke regel bleven over wanneer meer diversiteit helpt en wanneer het schaadt. Het ontbrekende puzzelstukje was het begrijpen dat het milieu zelf de regels van het spel kan veranderen, waardoor een stabiele gemeenschap in een chaotische wordt verandert, of vice versa, afhankelijk van de omstandigheden.

Een onderzoeker bij het Shenzhen Bay Laboratory zette zich in om dit idee te testen door te observeren hoe bacteriële gemeenschappen zich gedragen onder verschillende temperaturen en verdunningssnelheden. Ze keken niet naar wilde bossen of oceanen, maar naar zorgvuldig samengestelde groepen bacteriën in een laboratoriumsetting. Door deze gemeenschappen te kweken in een nutriëntenrijke vloeistof en ze vervolgens dagelijks te verdunnen — in feite een kleine monster te nemen en vers voedsel toe te voegen — konden ze de populaties groeien, crashen en herstellen over vele generaties. Ze testten deze gemeenschappen over een breed bereik van temperaturen, van een koele tien graden Celsius tot een verzengende vijftig graden, en varieerden ook hoeveel ze de culturen elke dag verdunden. Hun doel was om te zien of de relatie tussen hoeveel soorten aanwezig waren en hoeveel de populatieaantallen schommelden, veranderde afhankelijk van de omgeving.

Wat zij ontdekten, was dat de relatie tussen diversiteit en stabiliteit niet vaststaat; het hangt volledig af van de omstandigheden. In het middelste temperatuurbereik, rond de twintig tot dertig graden Celsius, gedroegen de gemeenschappen zich op één specifieke manier. Hier leefden veel verschillende soorten samen en fluctueerden ze synchroon. Wanneer de populatieaantallen omhoog en omlaag gingen, deden ze dat gezamenlijk over veel verschillende soorten bacteriën. In dit scenario werd de meer diverse gemeenschap instabieler naarmate er meer soorten waren. De onderzoeker observeerde dat in deze omstandigheden de soorten die het meest talrijk waren in de loop van de tijd veranderden, waarbij verschillende bacteriën op verschillende dagen de leiding namen. Dit suggereert dat het complexe web van interacties tussen veel soorten de instabiliteit aanstuurde, wat een positieve link creëerde waarbij meer variëteit meer beweging betekende.

Echter, wanneer de temperatuur naar de extremen verschoof, veranderde het verhaal volledig. Bij veertig graden werd de omgeving hard genoeg zodat slechts een paar taaie soorten konden overleven. In deze gemeenschappen kwam de instabiliteit niet voort uit een complex web van interacties. In plaats daarvan werd het gedreven door slechts één of enkele dominante soorten die op hun eigen kracht piekten en vervolgens instortten. Deze crashes van enkelvoudige soorten gebeurden omdat de bacteriën zo snel groeiden dat ze hun eigen omgeving veranderden, specifiek door de zuurgraad van de vloeistof te veranderen, wat hen uiteindelijk doodde. In dit hoge-temperatuurregime maakte het hebben van meer soorten de gemeenschap niet instabieler, noch maakte het hebben van minder soorten de gemeenschap stabieler. De link tussen diversiteit en instabiliteit verdween simpelweg. De fluctuaties werden veroorzaakt door de fysieke grenzen van de omgeving en het gedrag van een enkele dominante speler, niet door het aantal spelers in het spel.

De onderzoeker testte ook wat er gebeurde toen ze de hoeveelheid verdunning van de culturen veranderden, terwijl de temperatuur constant bleef. Ze ontdekten dat dit, eveneens, de gemeenschap van het ene type gedrag naar het andere kon verschuiven. Wanneer de verdunning zwak was, waardoor meer bacteriën van de ene dag naar de volgende konden overleven, vertoonden de gemeenschappen zowel collectieve fluctuaties als fluctuaties van dominante soorten, waarbij die laatste frequenter voorkwamen onder deze omstandigheden. Wanneer de verdunning sterk was, waarbij het grootste deel van de populatie elke dag werd weggespoeld, vertoonden de gemeenschappen over het algemeen kleinere fluctuaties. Dit bevestigde dat de omgeving de schakelaar was die bepaalde welke regel van toepassing was.

Om te begrijpen waarom dit gebeurde, keek de onderzoeker nauwgezet naar hoe individuele bacteriën reageerden op hun eigen afvalstoffen. Ze ontdekten dat naarmate bacteriën groeiden, ze de pH van hun omgeving veranderden, waardoor deze ofwel te zuur of te alkalisch werd. Bij hogere temperaturen gebeurde deze verandering sneller en was deze dodelijker. Een populatie kon in een enkele dag enorm groeien, om vervolgens dramatisch af te sterven omdat de omgeving toxisch voor hen werd. Deze cyclus van snelle groei gevolgd door een milieusuïcide creëerde de wilde schommelingen in populatieaantallen. In de matige temperaturen konden veel soorten deze veranderingen tolereren en samenleven, wat leidde tot de collectieve fluctuaties. In de hardere temperaturen overleefden alleen de taaiste soorten, en hun eigen groei werd de oorzaak van hun instabiliteit.

De studie gebruikte computersimulaties om te bevestigen dat dit mechanisme voldoende was om de resultaten te verklaren. Door een model te bouwen waarin bacteriën concurreerden om voedsel en de pH van hun gedeelde thuis veranderden, kon de onderzoeker zowel de stabiele gemeenschappen, de collectieve fluctuaties als de crashes van enkelvoudige soorten reproduceren. Het model toonde aan dat wanneer de groei snel was en de omgeving snel veranderde, het systeem van nature in een van de twee patronen viel. Ofwel zouden veel soorten samen fluctueren, wat een link tussen diversiteit en instabiliteit creëerde, ofwel zou één soort domineren en op zichzelf crashen, waardoor deze link werd verbroken.

Dit werk suggereert dat het langlopende debat over de vraag of diversiteit de natuur stabiliseert of destabiliseert, mogelijk de context mist. Het antwoord is geen enkele universele regel. In plaats daarvan hangt de relatie tussen hoeveel soorten er aanwezig zijn en hoe stabiel de gemeenschap is, af van de omgeving. In sommige omstandigheden drijft diversiteit instabiliteit aan omdat veel soorten met elkaar interageren en op elkaar reageren. In andere omstandigheden wordt instabiliteit gedreven door de omgeving zelf, en speelt diversiteit geen rol. De onderzoeker liet zien dat door de temperatuur of de verdunningssnelheid te veranderen, zij de schakelaar tussen deze twee werelden konden omdraaien. Dit betekent dat om te begrijpen waarom een gemeenschap stabiel of instabiel is, we niet alleen moeten kijken naar hoeveel soorten er zijn, maar naar de specifieke omstandigheden die bepalen hoe die soorten groeien en sterven. De regels van het spel veranderen met het weer, en de stabiliteit van het leven hangt af van welke set regels momenteel in het spel is.