Las coaliciones gubernamentales a menudo se disuelven cuando demasiados partidos no están de acuerdo en demasiados temas. Incluso si una coalición parece estable durante algún tiempo, una pequeña crisis puede provocar una reacción en cadena que eventualmente provoque el colapso del sistema. Un estudio realizado en el Departamento de Física de la Universidad Bar-Ilan demuestra que este principio también es válido para los ecosistemas, en particular los ecosistemas bacterianos.

En un ecosistema, diferentes especies pueden tener un efecto negativo entre sí. El guepardo, por ejemplo, se alimenta de la cebra y los árboles de la jungla compiten entre sí por la luz del sol. Por el contrario, las especies pueden afectarse positivamente entre sí, como la abeja que poliniza las flores. En la década de 1970, el renombrado matemático y biólogo Robert May predijo el colapso de las coaliciones en los ecosistemas, como los árboles en las selvas tropicales, los animales en las sabanas o los peces en los arrecifes de coral. Según May, un ecosistema puede volverse inestable y colapsar si contiene demasiadas especies, o si las redes de conexiones entre ellas son demasiado intensas. En otras palabras, según la teoría de May, los ecosistemas pequeños en la naturaleza generalmente se caracterizan por vínculos fuertes, mientras que los sistemas grandes se caracterizan por vínculos débiles. Hasta ahora la teoría de May ha sido difícil de probar debido a la dificultad de medir estas redes.

En el nuevo estudio, publicado en Nature Ecology &Evolution , Yogev Yonatan y Guy Amit del grupo de investigación del Dr. Amir Bashan del Departamento de Física de la Universidad Bar-Ilan, en colaboración con el Dr. Yonatan Friedman de la Universidad Hebrea, demostraron la primera evidencia de la teoría de May en ecosistemas microbianos.

El microbioma es de gran importancia para nuestra salud, como la digestión y absorción de nutrientes y el entrenamiento de nuestro sistema inmunológico. Las alteraciones en el equilibrio ecológico se asocian con muchos efectos nocivos en nuestro bienestar físico y mental, desde la obesidad hasta enfermedades mentales y psiquiátricas diversas, y el riesgo de enfermedades crónicas como la diabetes y el cáncer. Se han introducido algunas intervenciones para mantener un equilibrio saludable que incluyen elementos dietéticos, ingesta de probióticos, antibióticos y trasplante fecal. Fuera del cuerpo humano, las bacterias juegan un papel vital en la creación de las condiciones de vida de los organismos más grandes. Son necesarios para la descomposición de nutrientes, la regulación de la producción y la descomposición de gases en la atmósfera, incluidos los gases de efecto invernadero, el metano, el dióxido de carbono y más.

Los investigadores desarrollaron un método computacional novedoso que permite estimar el nivel de conectividad en el ecosistema (una medida del número de conexiones en la red y su fuerza) mediante el análisis de grandes cantidades de datos de una variedad de comunidades microbianas sin tener que crear un mapa detallado de todas las interacciones, análogo a cómo se puede medir la temperatura de un vaso de agua sin un conocimiento completo de la velocidad y la posición de cada molécula de agua.

Inicialmente, los investigadores probaron el nuevo método en datos simulados de dinámica ecológica. Posteriormente, analizaron datos de miles de muestras de poblaciones bacterianas de varios órganos del cuerpo humano y de poblaciones bacterianas que viven en esponjas marinas en arrecifes de coral en varios lugares del mundo. En cada ambiente ecológico, compararon el número de especies diferentes en la población bacteriana y el nivel de conectividad de la red ecológica, y encontraron evidencia inicial de la existencia del principio de estabilidad de Robert May en estos sistemas.

Comprender los principios de estabilidad de las comunidades bacterianas es importante por dos razones. Los principios de estabilidad son las reglas del juego que dictan la evolución del ecosistema en un entorno particular y ayudan a responder preguntas científicas como por qué se desarrollan diferentes poblaciones bacterianas en diferentes lugares o por qué el número de especies difiere entre lugares. Una segunda razón es que los ecosistemas pueden colapsar como resultado de la alteración del equilibrio ecológico tras la intervención humana. Esto es cierto para los arrecifes de coral en Australia y las selvas tropicales de Brasil, y también es cierto para las poblaciones bacterianas en humanos y en el medio ambiente. Es importante evaluar qué tan cerca están estos sistemas de colapsar para que sepamos cómo evitar dañarlos y cómo pueden ser rehabilitados.

Los resultados muestran que el número de diferentes especies de bacterias que pueden sobrevivir en el mismo entorno ecológico está limitado por la fuerza de las interacciones entre ellas. Por ejemplo, en el intestino, donde hay abundancia de alimentos para las bacterias y una competencia menos intensa por los recursos, encontramos de docenas a cientos de diferentes tipos de bacterias. Lo contrario ocurre en otros lugares donde la competencia es feroz y el número de especies es reducido. Comprender los principios de estabilidad de las poblaciones bacterianas es especialmente importante cuando estamos interesados ​​en desarrollar tratamientos que incluyan intentos de influir, cambiar y controlar su composición. Por lo tanto, comprender las leyes ecológicas que rigen las poblaciones bacterianas en el hombre y el mundo es muy importante tanto para el desarrollo de tratamientos médicos como para la preservación del medio ambiente.

El tema de esta investigación, que generalmente es estudiado por investigadores de ciencias de la vida, es un ejemplo de una tendencia creciente en los últimos años hacia la investigación multidisciplinaria, en la que expertos de diversas disciplinas exploran problemas complejos. En este estudio, los físicos utilizaron herramientas de los campos de la física estadística, la dinámica no lineal, la ciencia de redes y la ciencia de datos para estudiar problemas caracterizados por grandes cantidades de datos, de los cuales las redes en poblaciones bacterianas o diversas interacciones humanas son solo una parte.