Konkurencja mikrobiomu podłogowego: Tysiące miliardów bakterii, jedna wspólna skrzynka z pokarmem

Dzielenie się wspólnym, ciągle uzupełnianym zasobem

Ciało ludzkie nosi szacunkowo setki do tysięcy gatunków bakterii, które dzielą wspólny fizyczny przestrzeń i, głównie, taki sam przychodzący zaplecze pożywienia. Podobnie jak w zamykanej flasce laboratorium, jelita gruczołowe są systemem otwartym: składniki żywieniowe są ciągle uzupełniane dzięki jedzeniu hosta, a bakterie są regularnie usuwane przez normalny przepływ jelit. Ta kombinacja — wspólny, ograniczony zasób plus ciągłe uzupełnianie i usuwanie — jest dokładnie sytuacją, jaką ekolodzy modelują równaniami konkurencji, a jest użytecznym optykiem do rozumienia dlaczego niektóre społeczności mikrobiomu jelitowego są stabilne przez lata, podczas gdy inne drastycznie się zmieniają po jednej dawce antybiotyków.

Zagadnienie konkurencji Lotka-Volterra generalizowane

Klasyczne równania konkurencji Lotka-Volterra, pierwotnie opracowane dla dwóch rywalizujących gatunków, naturalnie rozszerzają się na wiele gatunków dzielących się zasobami. Dla każdego gatunku i, stopa wzrostu populacji zależy od własnej stopy wzrostu wewnętrzanego, terminu ograniczającego (współczesne populacje samego gatunku ograniczają się nawzajem, z ograniczeniem przez pojemność nosicielową), oraz sumy wyrazów konkurencyjnych dwuczłonowych z każdym innym obecnym gatunkiem:

dN_i/dt = r_i * N_i * (1 - (N_i + sum_j( a_ij * N_j )) / K_i) N_i populacja gatunku i r_i własna stopa wzrostu gatunku i K_i pojemność nosicielowa gatunku i, ustawiona przez dostarczany zasób nutrymentalny a_ij współczynnik konkurencji: ile jednostki jednego gatunku j ogranicza wzrost gatunku i, w stosunku do własnych członków gatunku i (a_ii = 1 zdefiniowanej) Cały zestaw wartości a_ij dla każdej pary gatunków tworzy macierz interakcji, a to właśnie ta macierz — nie sami stopnie wzrostu ani pojemności nosicielowej — wyznacza długoterminowy los społeczności. Macierz, w której współczynniki konkurencji są duże w stosunku do ograniczenia własnego, często prowadzi do wykluczenia konkurencyjnego; macierz, w której gatunki ograniczają się nawzajem bardziej niż siebie nawzajem, często prowadzi do stabilnej współistnienia.

dN_i/dt = r_i * N_i * (1 - (N_i + sum_j( a_ij * N_j )) / K_i)

N_i    population of species i
r_i    intrinsic growth rate of species i
K_i    carrying capacity of species i, set by the shared nutrient supply
a_ij   competition coefficient: how much one individual of species j
       suppresses species i's growth, relative to species i's own
       members (a_ii = 1 by definition)

Wykluczenie konkurencyjne: wersja stricte

Zasada wykluczenia konkurencyjnego, formalizowana przez Georgygo Gause’a na podstawie laboratorium z konkurencyjnymi gatunkami paramecia w latach 30. XX wieku, stwierdza, że dwa gatunki zależne od dokładnie tego samego ograniczającego zasobu nie mogą istnieć stabilnie: którykolwiek z nich, który może przetrwać przy niższej koncentracji zasobu, w dłuższym okresie wyeliminuje drugi, nawet jeśli różnica w ich wymaganiach jest mała. W równaniach powyżej to odpowiada sytuacji, w której współczynniki konkurencji między dwoma gatunkami są wystarczająco silne w stosunku do samokontrolowania, że układ nie ma stabilnego równowagi wewnętrznego, w której oba gatunki przetrwają — trajektorie zbiegają się do wygrania jednego lub drugiego gatunku, a wynik zależy od warunków początkowych i dokładnych wartości współczynników.

Dlaczego prawdziwe mikrobiomy podłógowe są bardziej wybaczące

Stronna ekskluzyja konkurencyjna przewiduje domino gut przezwyciężonego przez pojedyncze gatunki, co nie jest to, co obserwujemy — prawdziwe mikrobiomy regularnie hostują setki współistniejących gatunków na lata. Rozwiązaniem jest to, że bakterie podłogowe rzadko konkurencje o pojedynczy zasób w sposób przypisany najbardziej stringentnej interpretacji tego prawo. Difekcja nischowa rozprzestrzenia konkurencję po wielu osiach zasobów: różne gatunki specjalizują się w przetwarzaniu różnych klas białek dietarycznych, różnych prostych cukrów lub różnych glykanów moczuga hosta, co zmniejsza konkurencję head-to-head na dowolnym jednym zasobie. Efekt nawzajem wykorzystywania się (cross-feeding) idzie dalej, przekształcając niektóre relacje konkurencyjne w kooperatywne: np. odpadki fermentacji jednego gatunku — kwasów tłuszczowych krótkich — są często podatkiem dla innych gatunków, co pozwala na bezpośrednią korzyść dla innego gatunku, a nie tylko konkurencję. Kontynuowana fluktuacja zasobów i struktura przestrzenna w długim tunelu podłógowym dodatkowo stabilizuje sytuację, co model jednolity i kompletnie wymieszany z pojedynczym zasobem nie uwzględnia.

Symulowanie współistnienia w stosunku do upadku

Symulacja oparta bezpośrednio na równaniach Lotki-Volterra zgeneralizowanych, z pulą substancji chemicznej, która ciągle odnowia się przy ustalonej szybkości i jest wykorzystywana przez istniejące gatunki, powtarza oba wyniki wraz ze sobą, zależnie tylko od wybranego macierzy interakcyjnej. Ustaw współczynniki konkurencji blisko 1 dla wszystkich gatunków — każdy gatunek hamuje tak samo inny jak i sam siebie — a symulacja wiarygodnie prowadzi do upadku w kierunku jednego lub dwóch dominujących gatunków. Ustaw większość współczynników poza przekątną poniżej 1, reprezentując silne różnicowanie nikeych, i te same równania osiągną stabilny równowagowy stan wielo-gatunkowy, w którym każdy gatunek utrzymuje się na niezerowej populacji. Miedzy tymi ekstremami niektóre kombinacje współczynników powodują oscylacje ciągłe zamiast ustalonego równowagi — populacje, które wzrośnie i spadną w nieskończoność, nigdy nie osiągając pełnego równowagi, przypomnienie, że nawet mały, deterministyczny system równań konkurencji może wygenerować naprawdę skomplikowane dynamiki długoterminowe.

Dlaczego to ważne klinicznie

Ten szkielet jest więcej niż proste wytyczne akademickie: stanowi konceptualną podstawę do zrozumienia, dlaczego kurz antibiotics może uczynić mikrobiom trąciowy narażonym na colonizację przez patogeny, takie jak Clostridioides difficile. Antibiotyki przestoju istniejącą sieć interakcji poprzez zmniejszenie populacji, które dotychczas blokowały patogenu poprzez konkurencję zasobów, otwierając tym samym tymczasowy „niche”, który patogen może wykorzystać przed ponownym osiągnięciem przez pierwotną społeczność równowagi kompetencyjnej – dokładnie dynamika, która jest opisana przez te równania.

Często zadawane pytania