Quando uma nova espécie é introduzida num ecossistema, pode ser bem sucedida ou pode não conseguir estabelecer-se e extinguir-se. Os físicos do Massachutts Institute of Tecnology (MIT) criaram agora uma fórmula que permite prever qual destes resultados é o mais provável. Este estudo é muito importante para ajudar a resolver problemas caso das bactérias intestinais e assim melhorar a composição dos probióticos
Os investigadores criaram a sua fórmula com base na análise de centenas de cenários diferentes utilizando populações de bactérias do solo cultivadas no seu laboratório. Planeiam agora testá-la em ecossistemas de maior escala, incluindo florestas. Esta abordagem pode também ser útil para prever se os probióticos ou os tratamentos com microbiota fecal (FMT) podem combater com êxito as infecções do trato gastrointestinal humano.
“As pessoas consomem muitos probióticos, mas muitos deles nunca chegam a invadir o nosso microbioma intestinal, porque a sua introdução não significa necessariamente que possam crescer, colonizar e beneficiar a nossa saúde”, afirma Jiliang Hu, principal autor do estudo.
Flutuações populacionais
O laboratório de Jeff Gore é especializado na utilização de micróbios para analisar as interações entre espécies de forma controlada, na esperança de aprender mais sobre o comportamento dos ecossistemas naturais. Em trabalhos anteriores, a equipa utilizou populações de bactérias para demonstrar como a alteração do ambiente em que os micróbios vivem afecta a estabilidade das comunidades que formam.
Neste estudo, os investigadores queriam estudar o que determina o sucesso ou o fracasso de uma invasão por uma nova espécie. Em comunidades naturais, os ecologistas têm levantado a hipótese de que quanto mais diverso for um ecossistema, mais resistirá a uma invasão, porque a maioria dos nichos ecológicos já estará ocupada e poucos recursos restarão para um invasor.
No entanto, tanto em sistemas naturais como experimentais, os cientistas observaram que isto não é consistentemente verdade: Enquanto algumas populações altamente diversificadas são resistentes à invasão, outras têm maior probabilidade de serem invadidas.
Para explorar a razão pela qual ambos os resultados podem ocorrer, os investigadores criaram mais de 400 comunidades de bactérias do solo, todas elas nativas do solo em redor do MIT. Os investigadores criaram comunidades de 12 a 20 espécies de bactérias e, seis dias depois, acrescentaram uma espécie escolhida ao acaso como invasora. No 12.º dia da experiência, sequenciaram os genomas de todas para determinar se o invasor se tinha estabelecido no ecossistema.
Em cada comunidade, os investigadores também variaram os níveis de nutrientes no meio de cultura em que as bactérias eram cultivadas. Quando estes eram elevados, os micróbios apresentavam fortes interações, caracterizadas por uma maior competição por alimentos e outros recursos, ou inibição mútua através de mecanismos como os efeitos de toxinas cruzadas mediados pelo pH. Algumas destas populações formaram estados estáveis em que a fração de cada micróbio não variava muito ao longo do tempo, enquanto outras formaram comunidades em que a maioria das espécies flutuava em número.
Os investigadores descobriram que estas flutuações eram o fator mais importante no resultado da invasão. As comunidades que tinham mais flutuações tendiam a ser mais diversificadas, mas também tinham mais probabilidades de serem invadidas com sucesso.
“A flutuação não é causada por mudanças no ambiente, mas é uma flutuação interna causada pela interação das espécies. E o que descobrimos é que as comunidades flutuantes são mais facilmente invadidas e também mais diversificadas do que as estáveis”.
Em algumas das populações onde o invasor se estabeleceu, as outras espécies permaneceram, mas em menor número. Noutras populações, algumas das espécies residentes foram ultrapassadas e desapareceram completamente. Esta deslocação tendeu a ocorrer com mais frequência nos ecossistemas onde as interações competitivas entre as espécies eram mais fortes.
Nos ecossistemas com populações mais estáveis e menos diversificadas, com interações mais fortes entre as espécies, as invasões tinham mais probabilidades de falhar.
Independentemente de a comunidade ser estável ou flutuante, os investigadores descobriram que a fração das espécies originais que sobreviveram na comunidade antes da invasão prevê a probabilidade de sucesso da invasão. Esta “fração de sobrevivência” pode ser estimada em comunidades naturais através do rácio entre a diversidade dentro de uma comunidade local (medida pelo número de espécies nessa área) e a diversidade regional (número de espécies encontradas em toda a região).
“Seria interessante estudar se a diversidade local e regional poderia ser utilizada para prever a suscetibilidade à invasão em comunidades naturais”, afirma Jeff Gore.
Previsão do sucesso
Os investigadores também descobriram que, em determinadas circunstâncias, a ordem pela qual as espécies chegam ao ecossistema tem um papel importante no sucesso de uma invasão. Quando as interações entre as espécies são fortes, as hipóteses de uma espécie ser incorporada com sucesso diminuem quando essa é introduzida após outras já se terem estabelecido.
Quando as interações são fracas, este “efeito de prioridade” desaparece e é atingido o mesmo equilíbrio estável, independentemente da ordem de chegada dos micróbios. “Num regime de interação forte, descobrimos que o invasor tem alguma desvantagem por ter chegado mais tarde”.
Os investigadores planeiam agora tentar replicar as suas descobertas em ecossistemas para os quais existem dados sobre a diversidade de espécies, incluindo o microbioma intestinal humano. A sua fórmula poderá permitir-lhes prever o sucesso de um tratamento probiótico, em que as bactérias benéficas são consumidas por via oral, ou da FMT, um tratamento experimental para infecções graves como a C. difficile, em que as bactérias benéficas das fezes de um dador são transplantadas para o cólon de um doente.
“As invasões podem ser prejudiciais ou benéficas, dependendo do contexto”, afirma o investigador. “Nalguns casos, como os probióticos ou a FMT para tratar a infeção por C. difficile, queremos que as espécies saudáveis invadam com sucesso. Também para a proteção do solo, as pessoas introduzem probióticos ou espécies benéficas no solo. Nesse caso, também se pretende que as espécies invasoras sejam bem sucedidas”.
Nota
Jeff Gore, professor de física do MIT, é o autor sénior do estudo, publicado hoje na revista Nature Ecology and Evolution. Matthieu Barbier, investigador do Instituto de Saúde Vegetal de Montpellier, e Guy Bunin, professor de física no Technion, são também autores do estudo.
