短暂的入侵者如何改变一个生态系统

当一个植物或动物物种被引入到一个没有天敌的新环境时,它会不受控制地蔓延,改变生态系统,排挤现有的种群。一个著名的例子是甘蔗蟾蜍,它于1935年被引入澳大利亚,现在其数量已达数百万。

当入侵者到来,改变了生态系统,然后灭绝时,就会出现一个相关但不太为人所知的场景。麻省理工学院的物理学家们现在已经证明了这种“短暂入侵”是如何在细菌种群中发生的,它引发了一种从一个稳定的群落状态到另一个稳定的群落状态的转变,而入侵者本身却消失了。

“这些结果强调了一种可能的方式,即即使一个物种不能长期生存,它也可能对社区产生长期影响,”麻省理工学院(MIT)物理学副教授、该研究的资深作者杰夫·戈尔(Jeff Gore)说。

这些发现可能还有助于解释短暂的入侵者是如何影响现实世界的生态系统的,比如在通过消化道之前改变人类肠道微生物群的细菌,或者在一个岛屿上放牧的驯鹿会彻底地破坏森林,以至于岛上的生物无法在那里生存。

麻省理工学院博士后丹尼尔·阿莫是这篇论文的主要作者,该论文发表在今天的《科学进展》杂志上。麻省理工学院的研究科学家Christoph Ratzke也是这项研究的作者之一。

稳定的数量

该研究小组最初的目的是探索促使生态系统在两种稳定状态之间切换的因素。许多生态系统可以以另一种稳定状态存在,但其中一个可能比另一个更“可取”,比如一个湖泊可以是健康的或富营养化的(过度覆盖藻类)。例如,大约5000年前,撒哈拉地区从湿润的草原变成了沙漠。

“驱动这些转变的机制,以及我们能否控制它们,都不是很清楚,”阿莫说。

戈尔的实验室通过创造可以在实验室中分析的简化版本,研究控制这些复杂的生态变化的原理。在这种情况下,研究人员研究了两种细菌的种群——氨细菌棒状杆菌和植物乳杆菌——它们通过改变环境中生长介质的pH值来抑制彼此的生长。这种相互的抑制导致群落的两种不同状态,其中一种占优势。

研究人员首先让细菌种群自然地达到一个稳定的状态,在这个状态中,一个物种控制了整个群落。一旦种群稳定下来,研究人员引入一种入侵者,并测量它是如何影响先前稳定的种群的。

研究人员研究的六种入侵物种中,有三种进行了接管,改变了生态系统的整体种群动态,但随后灭绝了。研究人员发现,这种现象是由于环境酸度的变化造成的。

植物L.在原稳定状态下,使环境呈酸性,抑制了C.菊石的生长。在酸性环境中茁壮成长的入侵者一旦被引入,就会迅速成长。然而,对于这些入侵者,它们的快速生长产生代谢副产物,提高pH值,使环境对它们和植物L. plantarum不太适宜。结果,C.鹦鹉螺取而代之,入侵者消失了。

然后,研究人员探索这种现象是否可以在自然产生的细菌种群中看到。他们采集了土壤样本,培养了他们发现的细菌种类,让这些群落在实验室的新环境中达到各种替代的稳定状态。在引进了他们在早期实验中使用的相同的入侵者之后,他们观察到相似的入侵者快速增长然后消失的模式,同时原始群落的组成也发生了变化。

“这表明,这不是一种罕见的效应,我们只能在假设引导的实验中观察到,在自然环境中也是如此,”Amor说。

芝加哥大学(University of Chicago)生态学和进化学教授斯特凡诺·阿莱西纳(Stefano Allesina)称这些实验“优雅而有力”。

这项工作对微生物群落的控制有着明显的重要意义。能够从一个不利的微生物群落状态转换到一个有利的是其中最重要的挑战之一,和麻省理工学院的团队已经表现出瞬态入侵者可能是完美的“开关”——他们做他们的工作,然后消失,“Allesina说。他没有参与这项研究。

快速灭绝

研究人员说,虽然一个物种会创造导致其自身灭亡的条件,这似乎违反直觉,但这在自然界中可能经常发生。在2018年发表的一篇论文中,戈尔和他的两名同事描述了几种细菌的“生态自杀”,它们的生长速度如此之快,以至于当地的环境被酸性废物污染得无法生存。

出现这种情况的部分原因是,允许个体快速生长的基因突变可以在群体中迅速传播,即使它会损害环境。

戈尔说:“有很多物种会以这种方式改变环境,从而导致人口迅速灭绝。”“在某些情况下,缓慢生长和不污染环境的策略可能在进化上并不稳定,因为突变体只是利用了环境,但它很好,生长迅速,导致大量的毒素产生。”问题是,虽然每个人这样做在短期内是合理的,但对整个群体来说,结果却不是最优的。”

戈尔说,他希望这些发现能鼓励那些研究更复杂生态系统的科学家,比如湖泊或人类肠道微生物群,去寻找这些短暂入侵的类型及其后果。

他说:“这些复杂系统的本质是,它们可能会有点势不可挡。”“你甚至不知道你应该在数据中寻找什么,或者你应该做什么样的实验。我们希望我们的一些工作可以激励其他人在他们的系统中寻找这种现象。”

这项研究由麻省理工学院材料研究实验室管理的美国国立卫生研究院资助。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2020/transient-bacteria-transform-ecosystem-0219

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