Вчені розробили математичну модель, яка пов'язує видове різноманіття і структуру мікробних екосистем зі швидкістю і механізмами використання живильних речовин, що надходять у середовище. Виявилося, що опису тільки цих процесів достатньо для пояснення можливості існування стійких екосистем, що складаються з декількох сотень різних видів мікроорганізмів, пишуть вчені в.
Мікробні екосистеми - як всередині організму-господаря, так і у відкритому середовищі - часто мають складну структуру і включають в себе дуже велику кількість мікроорганізмів різних видів, які при цьому досить сильно відрізняються між собою за формою і розмірами. У дуже обмеженому обсязі можуть співіснувати кілька десятків або навіть сотень різних видів. Особливо дивним для вчених цей факт виглядає з урахуванням можливості експоненційного зростання окремих видів і обмеженої кількості поживних речовин у середовищі. При цьому навіть в однакових умовах такі екосистеми, що складаються з мікроорганізмів, можуть сильно відрізнятися один від одного за своїм складом.
Для пояснення аномальної стійкості мікробних екосистем, великої кількості можливих варіантів видового складу та придушення експоненційного зростання хоча б одного з видів біологи Акшит Гойал (Akshit Goyal) з Національного центру біологічних наук Індії та Сергій Маслов (Sergei Maslov) з Іллінойського університету в Урбані-Шампейні запропонували для Ко. Ця модель взагалі не розглядає процеси взаємодії мікроорганізмів різних видів між собою, а враховує тільки їх реакцію на зміну в середовищі концентрації необхідних для життєдіяльності поживних речовин.
Згідно моделі, в систему з постійною швидкістю надходить всього одна поживна речовина. Частина цієї речовини йде на збільшення біомаси, а частина в результаті метаболічних процесів перетворюється на побічні продукти, які служать поживними речовинами для інших видів. Крім того, цю систему постійно намагаються «колонізувати» нові види мікроорганізмів зі своєю швидкістю росту, які потрапляють в неї з інших колоній і можуть або вижити в новій системі, або загинути. При цьому, крім процесів зростання числа кожного з видів мікроорганізмів і вмісту поживних речовин, в системі з постійною швидкістю відбувається зменшення їх концентрації за рахунок розбавлення.
Вчені стверджують, що через якийсь час після зародження колонії з єдиним видом у такій системі природним чином підвищується стійкість. Це відбувається в результаті появи великої кількості нових видів і декількох перегрупувань, так що в кінцевому стійкому стані загальна кількість видів мікроорганізмів може доходити до тисячі. Для стаціонарного режиму існування такої мікробної екосистеми характерні приблизно постійні: число видів бактерій, кількісне співвідношенням між їх частками в системі і загальна чисельність колонії.
При цьому виявилося, що для нормального функціонування такої екосистеми необхідна наявність деяких видів, які складають «ядро» колонії і повинні в ній бути присутніми завжди. Однак деякі види організмів у структурі екосистеми можуть з часом змінюватися один іншим. Ця зміна в свою чергу може стати причиною заміни тієї частини мікроорганізмів, чия життєдіяльність залежала від поживних речовин, що виробляються мікробами, що пішли. Цей механізм пояснює можливі відмінності між схожими за своєю структурою мікробними екосистемами, що зустрічаються в природі.
Дані, отримані за допомогою запропонованої математичної моделі, вчені порівняли з експериментально отриманими результатами - структурою мікробної екосистеми мовою людини. Біологи виявили, що розроблену модель можна використовувати для кількісного статистичного опису фракційного складу природних мікробних екосистем.
Біологи відзначають, що в запропонованій ними моделі конкурентна боротьба між різними видами або симбіотичні процеси не розглядаються безпосередньо, а вся взаємодія відбувається тільки через середовище з мінливою концентрацією поживних речовин. Навіть цього виявляється достатньо для пояснення стійкого функціонування екосистем, що складаються з декількох сотень видів.
Крім того, автори дослідження стверджують, що стійка екосистема може утворитися навіть у разі наявності в ній єдиної поживної речовини, яку використовують для своєї життєдіяльності всі організми. Тому при збільшенні різноманітності цих речовин можливе і ускладнення системи.
Часто мікробні колонії не тільки включають дуже велику кількість різних видів, але і мають досить складну просторову організацію. Наприклад, вчені виявили, що спільноти зі складною структурою формують мікроорганізми при утворенні зубного нальоту. У цій екосистемі міститься близько 700 видів мікробів, у кожного з яких своє місце в колонії і своя функція.