Environment-dependent diversity-stability relationship in microbial communities

Durante décadas, os ecologistas debateram uma questão simples, mas persistente: ter mais tipos de vida torna uma comunidade natural mais forte ou a torna mais frágil? De um lado, a ideia de que a diversidade atua como uma rede de segurança sugere que, se muitas espécies estiverem presentes, a perda ou o tremor de uma pode ser absorvido pelas outras, mantendo o sistema inteiro estável. Do outro lado, teorias matemáticas sugerem que, à medida que uma comunidade se torna mais complexa com mais conexões entre as espécies, ela se torna uma teia emaranhada que é mais fácil de ser abalada. Observações do mundo real ofereceram respostas para ambos os lados, deixando os cientistas sem uma regra clara de quando a maior diversidade ajuda e quando ela prejudica. A peça que faltava era entender que o próprio ambiente pode mudar as regras do jogo, transformando uma comunidade estável em uma caótica, ou vice-versa, dependendo das condições.

Um pesquisador do Laboratório Shenzhen Bay propôs-se a testar essa ideia observando como comunidades bacterianas se comportam sob diferentes temperaturas e taxas de diluição. Eles não olharam para florestas ou oceanos selvagens, mas para grupos de bactérias cuidadosamente montados em um ambiente de laboratório. Ao cultivar essas comunidades em um líquido rico em nutrientes e depois diluí-las diariamente — essencialmente pegando uma pequena amostra e adicionando comida fresca — eles puderam observar as populações crescerem, colapsarem e se recuperarem ao longo de muitas gerações. Eles testaram essas comunidades em uma ampla gama de temperaturas, de dez graus Celsius (frio) a cinquenta graus (escaldante), e também variaram o quanto diluíam as culturas a cada dia. O objetivo era ver se a relação entre o número de espécies presentes e o quanto os números populacionais oscilavam para cima e para baixo mudava dependendo do ambiente.

O que descobriram foi que a relação entre diversidade e estabilidade não é fixa; ela depende inteiramente das condições. Na faixa intermediária de temperaturas, em torno de vinte a trinta graus Celsius, as comunidades se comportavam de uma maneira específica. Aqui, muitas espécies diferentes viviam juntas e flutuavam em sincronia. Quando os números populacionais subiam e desciam, faziam-no juntos através de muitos tipos diferentes de bactérias. Neste cenário, quanto mais diversa era a comunidade, mais instável ela se tornava. O pesquisador observou que, nessas condições, as espécies que eram mais abundantes mudavam ao longo do tempo, com diferentes bactérias assumindo a liderança em dias diferentes. Isso sugere que a teia complexa de interações entre muitas espécies estava impulsionando a instabilidade, criando um elo positivo onde mais variedade significava mais movimento.

No entanto, quando a temperatura mudava para os extremos, a história mudava completamente. Aos quarenta graus, o ambiente tornava-se severo o suficiente para que apenas algumas espécies resistentes pudessem sobreviver. Nessas comunidades, a instabilidade não vinha de uma teia complexa de interações. Em vez disso, era impulsionada por apenas uma ou poucas espécies dominantes que floresciam e depois entravam em colapso por conta própria. Esses colapsos de uma única espécie aconteciam porque as bactérias cresciam tão rápido que alteravam seu próprio ambiente, especificamente mudando a acidez do líquido, o que eventualmente as matava. Neste regime de alta temperatura, ter mais espécies não tornava a comunidade mais instável, nem ter menos espécies a tornava mais estável. O elo entre diversidade e instabilidade simplesmente desaparecia. As flutuações eram causadas pelos limites físicos do ambiente e pelo comportamento de um único jogador dominante, não pelo número de jogadores no jogo.

O pesquisador também testou o que acontecia quando mudavam o quanto diluíam as culturas, mantendo a temperatura constante. Descobriram que isso, também, poderia deslocar a comunidade de um tipo de comportamento para o outro. Quando a diluição era fraca, permitindo que mais bactérias sobrevivessem de um dia para o outro, as comunidades tendiam a mostrar tanto flutuações coletivas quanto flutuações de espécies dominantes, sendo estas últimas mais frequentes sob essas condições. Quando a diluição era forte, lavando a maior parte da população a cada dia, as comunidades apresentavam flutuações menores no total. Isso confirmou que o ambiente era a chave que determinava qual regra se aplicava.

Para entender por que isso acontecia, o pesquisador observou de perto como as bactérias individuais reagiam aos seus próprios resíduos. Eles descobriram que, conforme as bactérias cresciam, elas mudavam o pH de seu ambiente, tornando-o ou muito ácido ou muito alcalino. Em temperaturas mais altas, essa mudança acontecia mais rápido e era mais mortal. Uma população poderia crescer enormemente em um único dia, apenas para morrer dramaticamente porque o ambiente se tornou tóxico para elas. Esse ciclo de crescimento rápido seguido de suicídio ambiental criava as oscilações selvagens nos números populacionais. Nas temperaturas moderadas, muitas espécies podiam tolerar essas mudanças e coexistir, levando às flutuações coletivas. Nas temperaturas mais severas, apenas as espécies mais resistentes sobreviviam, e seu próprio crescimento tornava-se a causa de sua instabilidade.

O estudo utilizou simulações de computador para confirmar que esse mecanismo era suficiente para explicar os resultados. Ao construir um modelo onde as bactérias competiam por comida e mudavam o pH de seu lar compartilhado, o pesquisador conseguiu reproduzir tanto as comunidades estáveis, quanto as flutuações coletivas e os colapsos de uma única espécie. O modelo mostrou que, quando o crescimento era rápido e o ambiente mudava rapidamente, o sistema naturalmente caía em um de dois padrões. Ou muitas espécies flutuavam juntas, criando um elo entre diversidade e instabilidade, ou uma única espécie dominava e colapsava sozinha, quebrando esse elo.

Este trabalho sugere que o debate de longa data sobre se a diversidade estabiliza ou desestabiliza a natureza pode estar ignorando o contexto. A resposta não é uma regra universal única. Em vez disso, a relação entre quantas espécies estão presentes e quão estável é a comunidade depende do ambiente. Em algumas condições, a diversidade impulsiona a instabilidade porque muitas espécies estão interagindo e reagindo umas às outras. Em outras condições, a instabilidade é impulsionada pelo próprio ambiente, e a diversidade não desempenha papel algum. O pesquisador mostrou que, ao mudar a temperatura ou a taxa de diluição, eles podiam alternar a chave entre esses dois mundos. Isso significa que, para entender por que uma comunidade é estável ou instável, devemos olhar não apenas para quantas espécies existem, mas para as condições específicas que moldam como essas espécies crescem e morrem. As regras do jogo mudam com o clima, e a estabilidade da vida depende de qual conjunto de regras está em jogo no momento.