As coalizões governamentais geralmente se dissolvem quando muitos partidos discordam em muitas questões. Mesmo que uma coalizão pareça estável por algum tempo, uma pequena crise pode causar uma reação em cadeia que eventualmente causa o colapso do sistema. Um estudo realizado no Departamento de Física da Universidade Bar-Ilan demonstra que esse princípio também vale para os ecossistemas, principalmente os ecossistemas bacterianos.
Em um ecossistema, diferentes espécies podem ter um efeito negativo umas sobre as outras. A chita, por exemplo, ataca a zebra e as árvores da selva competem entre si pela luz do sol. Por outro lado, as espécies podem afetar positivamente umas às outras, como a abelha que poliniza as flores. Na década de 1970, o renomado matemático e biólogo Robert May previu o colapso de coalizões em ecossistemas, como árvores em florestas tropicais, animais em savanas ou peixes em recifes de coral. Segundo May, um ecossistema pode se tornar instável e entrar em colapso se contiver muitas espécies ou se as redes de conexões entre elas forem muito intensas. Em outras palavras, de acordo com a teoria de May, pequenos ecossistemas na natureza são geralmente caracterizados por fortes ligações, enquanto grandes sistemas são caracterizados por ligações fracas. Até agora a teoria de May tem sido difícil de provar devido à dificuldade de medir essas redes.

No novo estudo, publicado em Nature Ecology &Evolution , Yogev Yonatan e Guy Amit do grupo de pesquisa do Dr. Amir Bashan do Departamento de Física da Universidade Bar-Ilan, em colaboração com o Dr. Yonatan Friedman da Universidade Hebraica, demonstraram a primeira evidência da teoria de May em ecossistemas microbianos.

O microbioma é de grande importância para nossa saúde – como digestão e absorção de nutrientes e treinamento de nosso sistema imunológico. Perturbações no equilíbrio ecológico estão associadas a muitos efeitos negativos em nosso bem-estar físico e mental, desde a obesidade até condições mentais e psiquiátricas diversas, e o risco de doenças crônicas, como diabetes e câncer. Algumas intervenções foram introduzidas para manter um equilíbrio saudável, incluindo elementos dietéticos, ingestão de probióticos, antibióticos e transplante fecal. Fora do corpo humano, as bactérias desempenham um papel vital na criação das condições de vida de organismos maiores. Eles são necessários para a decomposição de nutrientes, regulação da produção e decomposição de gases na atmosfera, incluindo gases de efeito estufa, metano, dióxido de carbono e muito mais.

Os pesquisadores desenvolveram um novo método computacional que permite que o nível de conectividade no ecossistema (uma medida do número de conexões na rede e sua força) seja estimado analisando grandes quantidades de dados de uma variedade de comunidades microbianas sem ter que criar um mapa detalhado de todas as interações - análogo a como a temperatura de um copo de água pode ser medida sem o conhecimento completo da velocidade e posição de cada molécula de água.

Inicialmente, os pesquisadores testaram o novo método em dados simulados de dinâmica ecológica. Mais tarde, eles analisaram dados de milhares de amostras de populações bacterianas de vários órgãos do corpo humano e de populações bacterianas que vivem em esponjas marinhas em recifes de corais em vários locais do mundo. Em cada ambiente ecológico, eles compararam o número de espécies diferentes na população bacteriana e o nível de conectividade da rede ecológica, e encontraram evidências iniciais da existência do princípio de estabilidade de Robert May nesses sistemas.

Compreender os princípios de estabilidade das comunidades bacterianas é importante por duas razões. Os princípios de estabilidade são as regras do jogo que ditam a evolução do ecossistema em um determinado ambiente e ajudam a responder a questões científicas, como por que diferentes populações bacterianas se desenvolvem em diferentes lugares ou por que o número de espécies difere entre os lugares. Uma segunda razão é que os ecossistemas podem entrar em colapso como resultado da perturbação do equilíbrio ecológico após a intervenção humana. Isso vale para os recifes de corais na Austrália e florestas tropicais no Brasil, e também para as populações bacterianas em humanos e no meio ambiente. É importante avaliar o quão perto esses sistemas estão do colapso para que possamos saber como evitar danificá-los e como eles podem ser reabilitados.

Os resultados mostram que o número de diferentes espécies de bactérias que podem sobreviver no mesmo ambiente ecológico é limitado pela força das interações entre elas. Por exemplo, no intestino, onde há abundância de alimentos para bactérias e competição menos intensa por recursos, encontramos dezenas a centenas de tipos diferentes de bactérias. O contrário ocorre em outros locais onde a competição é acirrada e o número de espécies é pequeno. Compreender os princípios de estabilidade de populações bacterianas é especialmente importante quando estamos interessados ​​em desenvolver tratamentos que incluam tentativas de influenciar, alterar e controlar sua composição. Portanto, entender as leis ecológicas que regem as populações bacterianas no homem e no mundo é muito importante tanto para o desenvolvimento de tratamentos médicos quanto para a preservação do meio ambiente.

O tema desta pesquisa, geralmente estudado por pesquisadores das ciências da vida, é um exemplo de uma tendência crescente nos últimos anos para a pesquisa multidisciplinar, na qual problemas complexos são explorados por especialistas de várias disciplinas. Neste estudo, os físicos usaram ferramentas dos campos da física estatística, dinâmica não linear, ciência de redes e ciência de dados para estudar problemas caracterizados por grandes quantidades de dados, dos quais redes em populações bacterianas ou diversas interações humanas são apenas uma parte.