חשיבותם של הקשרים במערכות אקולוגיות

הבנת הקשרים במערכות אקולוגיות חשובה לשמירה הן על בריאות האדם והן על הסביבה. מחקר חדש, שחישב את רמת הקישוריות ברשת האקולוגית של קהילות חיידקים, מספק עדות ראשונה לתיאוריה ישנה: הטבע אוהב מערכות קטנות עם קשרים חזקים, או מערכות גדולות עם קשרים חלשים.

למה ממשלות נופלות? כי יותר מדי מפלגות אינן מסכימות על יותר מדי דברים ואפילו משבר קטן עלול לגרום לתגובת שרשרת שבסופה המערכת תקרוס. מחקר שבוצע על ידי קבוצת ד"ר אמיר בשן במחלקה לפיזיקה באוניברסיטת בר-אילן מדגים שהעיקרון הזה נכון גם למערכות אקולוגיות, לפחות לאלה של חיידקים.

בשנות השבעים, המתמטיקאי רוברט מאי (Robert May) חזה תופעה דומה לקריסת הקואליציה שתוארה לעיל במערכות אקולוגיות. במערכת אקולוגית, מינים שונים יכולים להשפיע זה על זה באופן שלילי (כמו תחרות או טריפה) או באופן חיובי (כמו האבקה). אם המערכת האקולוגית מכילה יותר מדי מינים, או האינטראקציות ביניהם אינטנסיביות מדי, היא לא תהיה יציבה ותקרוס. במילים אחרות, לפי מאי אנו צפויים לראות בטבע מערכות קטנות עם קשרים חזקים, או מערכות גדולות עם קשרים חלשים. בהיבט המחקרי, הבעיה הגדולה היא שרשת האינטראקציות קשה מאוד למדידה, ולמעשה במערכות אקולוגיות גדולות הרשת ברובה אינה ידועה. בהיעדר ידע מפורט על הרשת, התיאוריה האקולוגית של מאי נותרה אלגנטית אבל לא ממש שימושית.

במחקר שהתפרסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי Nature Ecology & Evolution, מצאו החוקרים יוגב יונתן וגיא עמית מקבוצת המחקר של ד״ר אמיר בשן, בשיתוף עם ד״ר יונתן פרידמן מהאוניברסיטה העברית, עדות ראשונה לתיאוריה של מאי במערכות אקולוגיות אמיתיות: אוכלוסיות החיידקים שחיים על גופנו ובתוכו. לאוכלוסיות אלו, המיקרוביום, חשיבות רבה לבריאותנו הגופנית והנפשית.

בשנים האחרונות התרבו המחקרים והצטבר ידע בנוגע למגוון הגנטי העצום של המיקרוביום בגופנו ולהשפעותיו על בריאות האדם. המיקרוביום מתעצב על ידי חשיפתנו לחיידקים של אחרים ועל ידי המזון שאנו אוכלים, המשפיע על תנאי בית הגידול, הגוף שלנו. החיידקים הם גם חלק ממערכות אקולוגיות מחוץ לגופנו ויש להם תפקיד חיוני ביצירת תנאי מחיה של אורגניזמים גדולים יותר ובוויסות ייצור ופירוק של גזים באטמוספירה.

הבנת עקרונות היציבות של קהילות החיידקים חשובה משתי סיבות: עקרונות היציבות הם חוקי המשחק המכתיבים את התפתחות המערכת האקולוגית בסביבה מסוימת ועוזרים לענות על שאלות מדעיות שונות; סיבה שניה היא שמערכות אקולוגיות עלולות לקרוס כתוצאה מהפרת האיזון האקולוגי בעקבות התערבות האדם. זה נכון לשוניות אלמוגים, יערות גשם  וגם לאוכלוסיות החיידקים באדם ובסביבה. חשוב להעריך כמה המערכות האלו קרובות לקריסה כדי לדעת איך להימנע מפגיעה בהן וכיצד לשקמן.

החוקרים מקבוצתו של ד"ר בשן פיתחו שיטה חדשנית לחישוב רמת הקישוריות (מדד של מספר הקשרים ברשת והחוזק שלהם) ברשת האקולוגית מתוך ניתוח כמויות גדולות של נתונים ממגוון מערכות מיקרוביום. השיטה מאפשרת לחשב את רמת הקישוריות של הרשת בלי לנסות לגלות את המפה המפורטת של כל האינטראקציות. הדבר דומה לכך שאין צורך למדוד בפירוט את המהירות והמיקום של כל מולקולת מים בכוס כדי להעריך את הטמפרטורה שלהן. בהתחלה החוקרים בדקו את השיטה החדשה על נתונים מסימולציות מחשב. מצוידים בשיטה החדשה, הם ניתחו נתונים מאלפי דגימות של אוכלוסיות חיידקים מאיברים שונים בגוף האדם ומאוכלוסיות חיידקים שחיות על ספוגים ימיים בשוניות אלמוגים מאתרים שונים בעולם. בכל סביבה אקולוגית, החוקרים השוו את מספר המינים השונים באוכלוסיית החיידקים ואת רמת הקישוריות של הרשת האקולוגית. הם גילו עדות ראשונה לקיום עיקרון היציבות של מאי במערכות אלו. ככל הנראה מדובר בהדגמה המקיפה ביותר לתיאוריית היציבות במערכות אקולוגיות בכלל.

התוצאות מלמדות שמספר המינים השונים של חיידקים שיכולים לשרוד באותה סביבה אקולוגית מוגבל על ידי חוזק האינטראקציות ביניהם. לדוגמה, במעיים, בהם יש שפע של מזון לחיידקים והתחרות על משאבים פחותה, יש עשרות עד מאות סוגים שונים של חיידקים. ההפך קורה במקומות אחרים שבהם התחרות עזה ומספר המינים קטן. הבנת עקרונות היציבות של אוכלוסיות החיידקים חשובה במיוחד הן לפיתוח טיפולים רפואיים והן לשמירה על הסביבה.

מחקר זה, העוסק בסוגיה אקולוגית ובנושאים המעסיקים בדרך כלל חוקרים מתחומי מדעי החיים, הוא דוגמה למגמה שגוברת בשנים האחרונות של מחקר רב-תחומי, בו בעיות מורכבות נחקרות על ידי מומחים ומומחיות מדיסציפלינות שונות.