为什么这么多微生物不能在实验室里生长

微生物生态系统——例如，在海水、土壤或人体肠道中——的多样性令人惊讶，但研究人员往往难以在实验室中重现这种多样性：许多微生物在尝试培养时死亡。

德国奥尔登堡大学亥姆霍兹功能性海洋生物多样性研究所（HIFMB）的研究人员的一项新研究为这一长期难题提供了新的见解，表明微生物的生存不仅取决于单个微生物的需求，还取决于一个隐藏的关系网，即使是微小的结构变化也可能导致其崩溃。

在《美国国家科学院院刊》上发表的研究中，生物多样性专家Thomas Clegg博士和Thilo Gross教授将微生物群落简化为基于交叉喂养的网络，即种群之间代谢副产物的交换。每个物种都需要营养，同时释放出其他物种作为食物所需的物质。

克莱格和格罗斯采用了一种新颖的方法对这个复杂的网络进行了建模。他们使用网络理论的工具——一种由物理学家开发的数学方法——来理解复杂系统的行为。

分析结果：在模型中，单个种群的损失可能会导致整个网络崩溃，微生物群落突然转变为较低的多样性状态。首席作者克莱格解释道：“这些崩溃充当了临界点，类似于新冠肺炎大流行期间出现的电网停电或供应链故障。”。

研究人员表示，试图在实验室中培养微生物群落就是这种扰动的一个例子。例如，如果样本中没有包括自然微生物群落的所有成员，那么它们将作为对其他物种至关重要的代谢产物的生产者而缺失。Gross解释说：“通过关注这些相互作用的结构，这项研究为为什么在实验室环境中很难保持多样性提供了新的见解。”尽管研究人员长期以来一直怀疑微生物之间的依赖性在我们培养它们的能力中起着关键作用，但这项研究首次展示了这在整个社区中是如何起作用的。这些发现为微生物的复原力提供了一个新的视角，强调了即使在实验室培养等资源丰富的环境中，如果关系网络被破坏，社区也会失败。

至关重要的是，该模型还表明，一旦社区崩溃，即使重新引入资源，恢复也可能很困难。克莱格说：“这不仅关乎单个微生物需要什么，还关乎它们依赖谁。”。“整个社区要么繁荣，要么崩溃。”