Regeringscoalities vallen vaak uiteen als te veel partijen het oneens zijn over te veel onderwerpen. Zelfs als een coalitie enige tijd stabiel lijkt, kan een kleine crisis een kettingreactie veroorzaken die uiteindelijk het systeem doet instorten. Een studie uitgevoerd in de afdeling Natuurkunde van de Bar-Ilan University toont aan dat dit principe ook geldt voor ecosystemen, met name bacteriële ecosystemen.

In een ecosysteem kunnen verschillende soorten elkaar negatief beïnvloeden. De cheeta bijvoorbeeld jaagt op de zebra's en bomen in de jungle concurreren met elkaar om zonlicht. Omgekeerd kunnen soorten elkaar positief beïnvloeden, zoals de bij die bloemen bestuift. In de jaren zeventig voorspelde de bekende wiskundige en bioloog Robert May de ineenstorting van coalities in ecosystemen, zoals bomen in regenwouden, dieren in savannes of vissen in koraalriffen. Volgens May kan een ecosysteem onstabiel worden en instorten als het te veel soorten bevat, of als de netwerken van verbindingen ertussen te intens zijn. Met andere woorden, volgens de theorie van May worden kleine ecosystemen in de natuur over het algemeen gekenmerkt door sterke bindingen, terwijl grote systemen worden gekenmerkt door zwakke bindingen. Tot nu toe was de theorie van May moeilijk te bewijzen vanwege de moeilijkheid om deze netwerken te meten.

In de nieuwe studie, gepubliceerd in Nature Ecology &Evolution , Yogev Yonatan en Guy Amit van de onderzoeksgroep van Dr. Amir Bashan van de afdeling Natuurkunde van de Bar-Ilan Universiteit, in samenwerking met Dr. Yonatan Friedman van de Hebreeuwse Universiteit, hebben het eerste bewijs van May's theorie in microbiële ecosystemen aangetoond.

Het microbioom is van groot belang voor onze gezondheid, zoals de vertering en opname van voedingsstoffen en training van ons immuunsysteem. Verstoringen in het ecologische evenwicht worden in verband gebracht met veel nadelige gevolgen voor ons fysieke en mentale welzijn, van obesitas tot mentale en verschillende psychiatrische aandoeningen, en het risico op chronische ziekten zoals diabetes en kanker. Sommige interventies zijn geïntroduceerd om een ​​gezond evenwicht te behouden, zoals voedingselementen, inname van probiotica, antibiotica en fecale transplantatie. Buiten het menselijk lichaam spelen bacteriën een cruciale rol bij het creëren van de levensomstandigheden van grotere organismen. Ze zijn nodig voor de afbraak van nutriënten, de regulering van de productie en de afbraak van gassen in de atmosfeer, waaronder broeikasgassen, methaan, koolstofdioxide en meer.

De onderzoekers ontwikkelden een nieuwe computationele methode waarmee het niveau van connectiviteit in het ecosysteem (een maat voor het aantal verbindingen in het netwerk en hun sterkte) kan worden geschat door grote hoeveelheden gegevens van verschillende microbiële gemeenschappen te analyseren zonder dat er een gedetailleerde kaart van alle interacties - analoog aan hoe de temperatuur van een glas water kan worden gemeten zonder volledige kennis van de snelheid en positie van elk watermolecuul.

Aanvankelijk testten de onderzoekers de nieuwe methode op gesimuleerde gegevens van ecologische dynamiek. Later analyseerden ze gegevens van duizenden monsters van bacteriepopulaties van verschillende organen in het menselijk lichaam en van bacteriepopulaties die op zeesponzen in koraalriffen op verschillende locaties over de hele wereld leven. In elke ecologische omgeving vergeleken ze het aantal verschillende soorten in de bacteriepopulatie en het niveau van connectiviteit van het ecologische netwerk, en vonden het eerste bewijs van het bestaan ​​van Robert May's principe van stabiliteit in deze systemen.

Het begrijpen van de stabiliteitsprincipes van bacteriële gemeenschappen is om twee redenen belangrijk. Stabiliteitsprincipes zijn de spelregels die de evolutie van het ecosysteem in een bepaalde omgeving dicteren en helpen bij het beantwoorden van wetenschappelijke vragen, zoals waarom verschillende bacteriepopulaties zich op verschillende plaatsen ontwikkelen, of waarom het aantal soorten verschilt tussen plaatsen. Een tweede reden is dat ecosystemen kunnen instorten als gevolg van verstoring van het ecologisch evenwicht door menselijk ingrijpen. Dit geldt voor koraalriffen in Australië en regenwouden in Brazilië, en het geldt ook voor bacteriepopulaties bij mensen en in het milieu. Het is belangrijk om te beoordelen hoe dicht deze systemen op instorten staan, zodat we weten hoe we schade kunnen voorkomen en hoe ze kunnen worden hersteld.

De resultaten laten zien dat het aantal verschillende soorten bacteriën dat kan overleven in dezelfde ecologische omgeving wordt beperkt door de sterkte van de interacties tussen hen. In de darmen, waar er een overvloed aan voedsel voor bacteriën is en minder intense concurrentie om hulpbronnen, vinden we bijvoorbeeld tientallen tot honderden verschillende soorten bacteriën. Het tegenovergestelde doet zich voor op andere plaatsen waar de concurrentie hevig is en het aantal soorten klein is. Het begrijpen van de stabiliteitsprincipes van bacteriële populaties is vooral belangrijk wanneer we geïnteresseerd zijn in het ontwikkelen van behandelingen die pogingen omvatten om hun samenstelling te beïnvloeden, te veranderen en te controleren. Daarom is het begrijpen van de ecologische wetten die de bacteriepopulaties in de mens en de wereld beheersen erg belangrijk, zowel voor de ontwikkeling van medische behandelingen als voor het behoud van het milieu.

Het onderwerp van dit onderzoek, dat veelal door life sciences onderzoekers wordt bestudeerd, is een voorbeeld van een groeiende trend van de laatste jaren naar multidisciplinair onderzoek, waarbij complexe problemen worden verkend door experts uit verschillende disciplines. In dit onderzoek gebruikten natuurkundigen tools uit de statistische fysica, niet-lineaire dynamica, netwerkwetenschap en datawetenschap om problemen te bestuderen die worden gekenmerkt door grote hoeveelheden gegevens, waarvan netwerken in bacteriële populaties of diverse menselijke interacties slechts een onderdeel zijn.