Interazioni in Evoluzione nelle Comunità Microbiche

Le Comunità microbiche sono gruppi di minuscoli organismi che vivono insieme e interagiscono tra loro. Come funzionano questi gruppi dipende molto da come le diverse Specie al loro interno si comportano e si adattano l'uno all'altro e all'ambiente circostante. Man mano che queste specie cambiano nel tempo, le loro interazioni possono evolversi, il che può alterare il modo in cui l'intera comunità funziona.

Essere in grado di prevedere questi cambiamenti può aiutare gli scienziati a guidare la comunità verso una migliore performance, soprattutto in situazioni in cui vogliono risultati particolari, come nel trattamento di malattie o nella bonifica dell'inquinamento. Per esempio, potrebbero voler sapere come i batteri nel nostro intestino potrebbero rispondere ai trattamenti per le malattie infiammatorie intestinali. Oppure, potrebbero voler prevedere come i batteri usati per ripulire le fuoriuscite di petrolio potrebbero evolversi per svolgere il loro compito in modo più efficace nel tempo.

#Studio delle Comunità Microbiche

Per indagare come diversi tipi di batteri interagiscono ed evolvono nelle comunità, i ricercatori spesso conducono esperimenti coltivando queste comunità in ambienti controllati. Un modo comune per farlo è trasferire ripetutamente queste colture microbiche in nuovi medi di crescita nel corso di diverse settimane. Monitorando i cambiamenti nelle dimensioni delle popolazioni di diverse specie, così come i loro cambiamenti genetici e comportamentali, gli scienziati possono ottenere informazioni su come queste interazioni evolvono.

Studi precedenti hanno dimostrato che i batteri possono adattarsi rapidamente ai cambiamenti del loro ambiente, sia da altri batteri (fattori biotici) sia dall’ambiente circostante (fattori abiotici). Alcuni esperimenti hanno suggerito che quando alcuni batteri interagivano negativamente all'inizio, le loro relazioni potevano cambiare nel tempo per diventare neutrali o addirittura positive. Questo ha senso perché, in molti casi, i batteri tendono a evolversi per ridurre la competizione per le risorse.

Tuttavia, nelle comunità in cui i batteri partono con relazioni positive, la maggior parte degli studi guarda solo alle interazioni tra due specie o due ceppi della stessa specie. Spesso, questo è perché i batteri in laboratorio tendono a competere invece di cooperare quando messi insieme. Questo solleva la domanda: cosa succede quando hai comunità più complesse con più specie che interagiscono tra loro?

I ricercatori hanno proposto tre possibili esiti per i batteri totalmente cooperativi:

1. Se le interazioni positive rimangono forti per molte generazioni, ogni specie potrebbe lavorare per aiutare l'altra di più, portando al mutualismo.
2. Se alcune specie forniscono risorse di cui altre hanno bisogno per sopravvivere, le specie dipendenti potrebbero evolversi per perdere la capacità di produrre determinate risorse, portando a una dipendenza da quelle specie produttrici.
3. Se i tratti cooperativi diventano troppo costosi per alcune specie, questo potrebbe indebolire le loro interazioni positive, portando a una situazione in cui ogni specie si specializza su risorse diverse.

#Design dell'Esperimento

Nei precedenti studi, i ricercatori hanno lavorato con quattro specie batteriche: Agrobacterium tumefaciens, Comamonas testosteroni, Microbacterium liquefaciens e Ochrobactrum anthropi. Hanno scoperto che quando queste specie venivano coltivate in ambienti tossici, la Cooperazione diventava più comune tra di loro. L'ambiente tossico su cui si sono concentrati era un tipo di fluido industriale contenente oli delle macchine. Insieme, questi batteri potevano degradare questo fluido nocivo, ma non condividevano una storia comune, cioè provenivano da posti diversi.

In questo studio, hanno coltivato i quattro batteri insieme in comunità o separatamente in isolamento. Gli scienziati hanno misurato la loro crescita, quanto bene degradavano il fluido tossico e cercavano cambiamenti nei loro geni. Dopo aver completato l'esperimento, hanno trovato che man mano che alcuni batteri capaci di crescere da soli evolvono insieme, le loro interazioni positive si indebolivano. Al contrario, quelli ancora dipendenti dagli altri mantenevano le loro relazioni di supporto. Le specie che crescevano da sole si sono rivelate più produttive e tendevano a competere tra loro quando messe insieme.

Alla fine, la ricerca ha indicato che le comunità che partono con interazioni positive potrebbero evolversi in modo simile a quelle che partono con quelle negative. Quando le dipendenze scompaiono, le interazioni si indeboliscono, suggerendo che potrebbe verificarsi una specializzazione nelle risorse.

#Evoluzione delle Specie nelle Comunità

La domanda principale era come le interazioni positive tra le specie in una comunità possano guidare la loro evoluzione. I ricercatori hanno impostato esperimenti in cui cresceva diverse combinazioni delle specie batteriche da sole o in gruppi. All'inizio, le dimensioni della popolazione oscillavano in modo selvaggio, specialmente quando le specie crescevano da sole. Alcune specie, come Microbacterium liquefaciens e Ochrobactrum anthropi, si estinguevano rapidamente quando crescevano separatamente poiché avevano bisogno dell'aiuto degli altri per sopravvivere.

Quando i batteri venivano cresciuti insieme, le loro dimensioni della popolazione si stabilizzavano più rapidamente, suggerendo che le relazioni cooperative possono fornire una certa stabilità nella crescita. Tuttavia, quelli che evolvono in comunità non raggiungevano le stesse dimensioni di popolazione nel tempo rispetto a quelli che evolvono in isolamento, e la dimensione complessiva delle comunità diminuiva persino. Questo suggeriva che quando i membri di una comunità evolvono insieme, le loro interazioni non sempre migliorano la crescita come ci si potrebbe aspettare.

#Cambiamenti nelle Interazioni nel Tempo

Man mano che i ricercatori continuavano ad esaminare le interazioni all'interno delle comunità, miravano a determinare se le relazioni tra le specie evolvessero in modo diverso rispetto al loro stato originale. Si sono concentrati sui tipi più comuni di batteri che crescevano insieme e hanno confrontato le loro interazioni dopo aver evoluto per diverse settimane.

Nei loro test, hanno scoperto che alcuni batteri ora mostrano comportamenti diversi. Ad esempio, Agrobacterium tumefaciens cresceva bene da solo rispetto alla sua forma ancestrale, ma non beneficiava più di Comamonas testosteroni come prima. In effetti, le interazioni positive che esistevano una volta tra queste due specie si erano spostate verso la neutralità, non mostrando vantaggi significativi quando venivano cresciute insieme.

Quando i ricercatori testavano lo stesso ceppo di batteri che si era evoluto in isolamento, scoprirono che tali specie tendevano a competere negativamente tra loro. Nota: quando Agrobacterium tumefaciens cresceva da solo, inibiva la crescita di Comamonas testosteroni.

#Produttività delle Specie Evolve

Attraverso questo studio, i ricercatori hanno notato che le specie che evolvono da sole tendevano ad essere più produttive di quelle che crescevano in comunità. L'idea era che quando le specie evolvono in isolamento, potrebbero avere più opportunità di espandere l'uso delle risorse e adattarsi al loro ambiente senza competizione. Al contrario, far parte di una comunità può limitare la crescita e l'evoluzione.

Le differenze nella produttività hanno portato i ricercatori a concludere che evolvere da soli consente alle specie di avere un maggior accesso alle risorse disponibili. I batteri che prosperavano da soli mostrano come le specie cooperative possano limitare il potenziale di crescita reciproca, portando a una riduzione delle prestazioni in ambienti comunitari.

#Cambiamenti Genetici nelle Comunità

Mentre gli scienziati studiavano come le specie interagivano, volevano anche cercare variazioni genetiche che si erano verificate a causa dei loro percorsi evolutivi. Hanno estratto DNA da diversi campioni di batteri in vari momenti durante la loro crescita per monitorare i cambiamenti nella loro composizione genetica.

I risultati hanno mostrato che le specie che evolvono da sole avevano schemi distinti rispetto a quelle che crescevano nelle comunità. I batteri che crescevano in isolamento non solo accumulavano cambiamenti genetici, ma avevano anche un tasso più elevato di fissazione (adozione permanente) di questi cambiamenti rispetto a quelli nelle comunità, dove molte alterazioni rimanevano in uno stato temporaneo.

Interesantemente, alcune mutazioni genetiche sono state identificate in specie che si erano evolute sia individualmente sia quando raggruppate insieme. Alcuni geni mostrano diverse frequenze di mutazioni a seconda delle impostazioni in cui le specie stavano crescendo.

#Mancanza di Prove per l'Ipotesi della Regina Nera

L'Ipotesi della Regina Nera propone che in una comunità in cui più specie contribuiscono a una risorsa comune (come un bene pubblico), alcune potrebbero perdere la capacità di produrla. Questa teoria suggerisce che le specie si affidano l'una all'altra per soddisfare alcune necessità. Tuttavia, i ricercatori hanno trovato poche prove a sostegno di questa ipotesi nel loro studio.

Sebbene alcuni ceppi batterici abbiano subito perdite di geni, questi cambiamenti non sembravano costringerli a dipendere maggiormente dagli altri per la sopravvivenza. Invece, i risultati suggerivano che le specie potrebbero specializzarsi in modi che consentissero loro di coesistere senza diventare eccessivamente dipendenti l'una dall'altra.

#Differenze nella Degradazione degli MWF

I ricercatori hanno esaminato ulteriormente se i cambiamenti nelle interazioni avessero impattato le capacità dei batteri di degradare gli oli tossici delle macchine in cui erano stati coltivati. Nel corso dell'esperimento, è diventato evidente che le specie che evolvevano in comunità riducevano la loro efficienza nella degradazione di questi fluidi dannosi.

Al contrario, le specie che cresceva da sole mostrava un miglioramento nella degradazione nel tempo, suggerendo che la loro isolamento consentiva loro di adattarsi e aumentare le loro prestazioni nella degradazione degli inquinanti. Questo ha sollevato importanti interrogativi su perché le dinamiche comunitarie portassero a una diminuzione dell'efficienza complessiva di degradazione.

#Effetti Sinergici nelle Specie Co-evolute

Nonostante la diminuzione dell'efficienza di degradazione per le comunità, gli scienziati hanno anche osservato casi in cui le specie co-evolute potrebbero migliorare gli sforzi reciproci per degradare le sostanze dannose. Confrontando come le diverse specie lavoravano insieme rispetto a quando erano sole, hanno scoperto che alcune combinazioni portavano a piccoli risultati positivi in termini di efficienza.

Questo indicava che mentre le singole specie faticavano a migliorare negli ambienti comunitari, alcune combinazioni potevano comunque fornire benefici quando cooperavano. Tuttavia, questi effetti sinergici non compensavano il declino complessivo nella degradazione visto nelle specie co-evolute rispetto a quelle che crescevano da sole.

#Conclusione

L'obiettivo centrale di questa ricerca era determinare come le interazioni tra le specie cambiano quando evolvono insieme all'interno di una comunità. I risultati hanno indicato che anche le relazioni positive tra i microbi non sono garantite per rafforzarsi nel tempo. Invece, le specie che iniziavano con comportamenti mutualistici potrebbero evolversi in modo simile a quelle in ambienti competitivi.

In conclusione, i risultati suggeriscono che le interazioni tra le specie all'interno delle comunità microbiche possono evolversi in vari modi, con potenziali conseguenze per le loro prestazioni complessive. Comprendere queste dinamiche è cruciale non solo per scopi scientifici, ma anche per applicazioni pratiche, come ottimizzare le comunità microbiche utilizzate per la bonifica dell'ambiente o altri processi benefici. Saranno necessari studi futuri per approfondire come le diverse strutture comunitarie possono influenzare gli esiti evolutivi e le funzioni ecologiche.