Cientistas do MIT desenvolvem nova técnica para prevenir a invasão de espécies nos ecossistemas

Os físicos do MIT desenvolveram uma fórmula de previsão, baseada em comunidades bacterianas, que pode também aplicar-se a outros tipos de ecossistemas, incluindo o trato gastrointestinal humano.

bactérias; vírus
Agora será mais fácil determinar se uma espécie poderá ou não inserir-se em determinado ambiente. (Imagem criada por IA)

Quando uma nova espécie é introduzida num ecossistema, pode conseguir estabelecer-se ou pode não conseguir estabelecer-se e extinguir-se. Os físicos do MIT criaram agora uma fórmula que permite prever qual destes resultados é o mais provável.

Os investigadores criaram esta fórmula com base na análise de centenas de cenários diferentes que modelaram utilizando populações de bactérias do solo cultivadas no seu laboratório. Planeiam agora testar a fórmula em ecossistemas de maior escala, incluindo florestas. Esta abordagem pode também ser útil para prever se os probióticos ou os tratamentos com microbiota fecal (FMT) podem combater com êxito as infeções do trato gastrointestinal humano.

“As pessoas consomem muitos probióticos, mas muitos deles nunca chegam a invadir o nosso microbioma intestinal, porque a sua introdução não significa necessariamente que possam crescer, colonizar e beneficiar a nossa saúde”.

Jiliang Hu SM ‘19, PhD ’24, o principal autor do estudo.

Jeff Gore, professor de física do MIT, é o autor sénior deste estudo. Matthieu Barbier, investigador do Instituto de Saúde Vegetal de Montpellier, e Guy Bunin, professor de física no Technion, são também autores do estudo.

Flutuações populacionais

O laboratório de Gore é especializado na utilização de micróbios para analisar as interações entre espécies de forma controlada, na esperança de aprender mais sobre o comportamento dos ecossistemas naturais. Em trabalhos anteriores, a equipa utilizou populações de bactérias para demonstrar como a alteração do ambiente em que os micróbios vivem afeta a estabilidade das comunidades que formam.

bactérias; probióticos
Até agora acreditava-se que quanto mais diverso fosse um ecossistema, mais ele resistiria a uma invasão, contudo, os cientistas percebem agora que não é bem assim.

Neste estudo, os investigadores queriam estudar o que determina o sucesso ou o fracasso de uma invasão por uma nova espécie. Em comunidades naturais, os ecologistas têm levantado a hipótese de que quanto mais diverso for um ecossistema, mais ele resistirá a uma invasão, porque a maioria dos nichos ecológicos já estará ocupada e poucos recursos restarão para um invasor.

No entanto, tanto em sistemas naturais como experimentais, os cientistas observaram que isto não é consistentemente verdade: enquanto algumas populações altamente diversificadas são resistentes à invasão, outras populações altamente diversificadas têm maior probabilidade de serem invadidas.

Para explorar a razão pela qual ambos os resultados podem ocorrer, os investigadores criaram mais de 400 comunidades de bactérias do solo, todas elas nativas do solo em redor do MIT. Os investigadores criaram comunidades de 12 a 20 espécies de bactérias e, seis dias depois, acrescentaram uma espécie escolhida ao acaso como invasora. No 12º dia da experiência, sequenciaram os genomas de todas as bactérias para determinar se o invasor se tinha estabelecido no ecossistema.

invasão; ecossistema
As comunidades de espécies que mais flutuam em número são mais propícias a serem invadidas.

Em cada comunidade, os investigadores variaram também os níveis de nutrientes no meio de cultura em que as bactérias eram cultivadas. Quando os níveis de nutrientes eram elevados, os micróbios apresentavam fortes interações, caracterizadas por uma maior competição por alimentos e outros recursos, ou inibição mútua através de mecanismos como os efeitos de toxinas cruzadas mediados pelo pH.

Algumas destas populações formaram estados estáveis em que a fração de cada micróbio não variava muito ao longo do tempo, enquanto outras formaram comunidades em que a maioria das espécies flutuava em número.

Os investigadores descobriram que estas flutuações eram o fator mais importante no resultado da invasão. As comunidades que tinham mais flutuações tendiam a ser mais diversas, mas também tinham mais probabilidades de serem invadidas com sucesso.

“A flutuação não é causada por mudanças no ambiente, mas é uma flutuação interna causada pela interação das espécies. E o que descobrimos é que as comunidades flutuantes são mais facilmente invadidas e também mais diversificadas do que as estáveis”.

Jiliang Hu.

Em algumas populações onde o invasor se estabeleceu, as outras espécies permaneceram, mas em menor número. Noutras populações, algumas das espécies residentes foram ultrapassadas e desapareceram completamente. Esta deslocação tendeu a ocorrer mais frequentemente em ecossistemas onde as interações competitivas entre espécies eram mais fortes.

Nos ecossistemas com populações mais estáveis e menos diversificadas, com interações mais fortes entre as espécies, as invasões tinham mais probabilidades de falhar.

bacterias
As hipóteses de uma espécie ser incorporada com sucesso numa comunidade onde as interações entre espécies é forte diminuem quando essa espécie é introduzida depois de outras espécies já se terem estabelecido.

Independentemente de a comunidade ser estável ou flutuante, os investigadores descobriram que a fração das espécies originais que sobreviveram na comunidade antes da invasão prevê a probabilidade de sucesso da invasão.

Esta “fração de sobrevivência” pode ser estimada em comunidades naturais através do rácio entre a diversidade dentro de uma comunidade local (medida pelo número de espécies nessa área) e a diversidade regional (número de espécies encontradas em toda a região).

Previsão do sucesso

Os investigadores também descobriram que, em determinadas circunstâncias, a ordem pela qual as espécies chegaram ao ecossistema desempenha um papel importante no êxito de uma invasão. Quando as interações entre as espécies são fortes, as hipóteses de uma espécie ser incorporada com sucesso diminuem quando essa espécie é introduzida depois de outras espécies já se terem estabelecido.

Quando as interações são fracas, este “efeito de prioridade” desaparece e é atingido o mesmo equilíbrio estável, independentemente da ordem de chegada dos micróbios.

“Num regime de interação forte, descobrimos que o invasor tem alguma desvantagem por ter chegado mais tarde. Isto tem interesse em ecologia porque as pessoas sempre descobriram que, nalguns casos, a ordem de chegada das espécies é muito importante, enquanto noutros casos é indiferente”.

Hu.

Os investigadores planeiam agora tentar replicar as suas descobertas em ecossistemas para os quais existem dados sobre a diversidade de espécies, incluindo o microbioma intestinal humano. A sua fórmula poderá permitir-lhes prever o sucesso de um tratamento probiótico, em que as bactérias benéficas são consumidas por via oral, ou da FMT, um tratamento experimental para infeções graves como a C. difficile, em que as bactérias benéficas das fezes de um dador são transplantadas para o cólon de um doente.

Referência da notícia

Hu, J., Barbier, M., Bunin, G. et al. Collective dynamical regimes predict invasion success and impacts in microbial communities. Nature Ecology & Evolution (2025).