Biosfer Mikroba: Studi Eksperimental Fungsi Ekosistem
Biosfer Mikroba: Studi Eksperimental Fungsi Ekosistem – Tes asam dari pemahaman kita bukanlah apakah kita dapat mengambil ekosistem menjadi potongan-potongan kecil di atas kertas, betapapun ilmiahnya, tetapi apakah kita dapat menggabungkannya dalam praktik dan membuatnya bekerja.
Biosfer Mikroba: Studi Eksperimental Fungsi Ekosistem
hospitalmicrobiome – Studi tentang sistem tertutup telah lama memesona para ahli biologi. Contoh awal adalah akuarium Warington yang, pada tahun 1851, mencapai “keseimbangan mengagumkan yang berkelanjutan antara kerajaan hewan dan tumbuhan” dan mengilhami Justus von Liebig untuk menciptakan “Dunia dalam toples” ( Liebigsche Welt im Glase ).
Perintis yang lebih baru dari sistem tertutup material adalah Folsome dan Hanson , yang mencapai stabilitas beberapa tahun dalam sistem laboratorium berdasarkan organisme air kolam. Contoh spektakuler lainnya adalah proyek Biosphere-2, sebuah eksperimen untuk menciptakan lingkungan yang mandiri bagi manusia dengan menciptakan kembali ekosistem planet dalam miniatur.
Ciri umum dari sistem ini adalah bahwa mereka tertutup secara material tetapi energi terbuka dalam energi cahaya yang memasuki sistem, tetapi pertukaran materi dengan lingkungan tidak diizinkan; hanya kehilangan panas yang diperbolehkan.
Saat ini, studi tentang sistem tertutup sepenuhnya jarang dilakukan dan hanya memainkan peran kecil dalam literatur ekologi. Bahkan beberapa dekade lalu, Taub dalam ulasannya menyayangkan bahwa sistem tertutup hampir tidak pernah digunakan dalam eksperimen ekologi. Memang, beberapa contoh komunitas mandiri yang lebih baru telah dikembangkan oleh ahli biofisika dengan minat pada stokastisitas proses populasi. Mungkin ada banyak alasan untuk kurangnya minat pada sistem tertutup.
Baca Juga : Mikroba Harus Menjadi Pusat Pendidikan dan Penjangkauan Ekologi
Sebagian besar literatur tentang sistem materi-tertutup telah menjadi bidang khusus, sangat terkait tidak dengan pemahaman fungsi ekosistem di alam tetapi dengan sistem pendukung kehidupan rekayasa untuk perjalanan ruang angkasa atau proyek besar untuk keberlanjutan diri manusia di ruang tertutup.
Sementara studi tentang sistem pendukung kehidupan sangat penting untuk perjalanan ruang angkasa di masa depan, dalam artikel ini kami berpendapat bahwa penting untuk membebaskan alasan utama untuk studi ekosistem tertutup dari domain terbatas ini.
Dalam ekologi populasi dan komunitas, ada juga fokus dari studi sistem lokal menuju ide-ide nonequilibrium yang dikemas dalam konsep, seperti komunitas meta dan koalesensi komunitas, di mana ada pertukaran spesies dan materi antara habitat lokal.
Oleh karena itu, studi tentang sistem tertutup secara material tampaknya bertentangan dengan konsep-konsep yang berpengaruh dalam teori ekologi modern. Namun demikian, banyak umpan balik dan interaksi dalam sistem mikroba sangat lokal.
Misalnya, di habitat mikroba biofilm atau agregat tanah, produk metabolisme lokal, termasuk gas, tidak mudah ditukar dengan matriks sekitarnya karena keterbatasan yang kuat pada difusi. Tanda tangan ekstrim dari ini adalah bahwa interior agregat tanah cenderung anaerobik. Dalam biofilm, konsorsium mikroba juga mengalami lingkungan yang sangat terlokalisasi .
Studi eksperimental sistem tertutup secara material dengan komponen biotik dan abiotik yang diketahui dan ditentukan memiliki potensi untuk menjawab pertanyaan penting dan mendasar dalam biologi. Sistem tertutup awal adalah kompleks dan tidak terdefinisi (misalnya, menggunakan air kolam yang tidak steril) dan sering kali direplikasi dengan buruk, dan keadaan awal dan hasil mereka sulit untuk diukur bahkan dalam hal komposisi spesies. Berbeda dengan studi tentang sistem yang sepenuhnya tertutup, eksperimen mikrokosmos terus memainkan peran utama dalam ekologi dan evolusi mikroba, termasuk desain klasik, seperti chemostat, kolom Winogradsky, bioreaktor batch, atau jangka panjang. percobaan transfer serial. Pada desain inilah kami membayangkan menambahkan sistem yang sepenuhnya tertutup.
Sistem seperti itu mencakup dimensi unik di mana cahaya biasanya merupakan satu-satunya sumber energi, dan hanya kehilangan panas disipatif yang diperbolehkan; mereka benar-benar tertutup. Oleh karena itu, mereka sangat penting untuk memahami proses ekosistem, seperti siklus nutrisi, di mana umpan balik kuantitatif dan dinamis untuk mendukung kehidupan tidak dapat dihubung singkat. Sistem tertutup seperti itu kemungkinan besar paling mudah dikendalikan oleh mikroorganisme, dan oleh karena itu, kami menggunakan istilah kolektif “biosfer mikroba” untuk pendekatan ini, tetapi desain dapat mencakup protozoa, nematoda, atau bahkan Drosophila sebagai pertanyaan yang mungkin diminta.
Keuntungan utama dari sistem mikroba adalah bahwa mereka dapat sangat direplikasi dan dipelihara selama bertahun-tahun dengan sedikit usaha. Secara historis, hampir semua sistem yang sangat direplikasi diselidiki telah relatif kecil dan perairan , tetapi substrat padat akan menawarkan kesempatan untuk memeriksa aspek struktur spasial. Kemungkinan, sistem seperti itu akan diunggulkan dengan strain dan substrat yang diketahui, diinkubasi dalam kondisi yang ditentukan, dan sejauh mungkin, dilengkapi dengan sensor dan port pengambilan sampel. Pengambilan sampel mungkin melanggar penutupan sistem, tetapi ini juga dapat dielakkan dengan mereplikasi sistem tersebut dan mengambil sampel secara destruktif pada interval yang telah ditentukan. Ada contoh pendekatan ini tetapi tidak pada skala yang sekarang dimungkinkan oleh robotika untuk menyiapkan dan menyemai sejumlah besar sistem ulangan .
Pendekatan yang melibatkan ekosistem tertutup cenderung sangat beragam, karena mereka harus didorong oleh pertanyaan dan dapat diintegrasikan dengan dan didukung oleh eksperimen mikrokosmos lainnya. Kami membayangkan biosfer mikroba sebagai area penyelidikan di persimpangan berbagai disiplin ilmu yang mapan, termasuk ekologi komunitas, evolusi eksperimental, ekologi ekosistem, dan rekayasa sistem pendukung kehidupan. Studi tentang sistem tertutup semacam itu juga mendapat tempat dalam pengajaran ekologi. Satu tantangan sederhana “bagaimana Anda akan membangun ekosistem yang mandiri?” langsung memperkenalkan siswa pada prinsip-prinsip dasar ekologi dan menjaga perhatian tentang planet kita di titik pusat.
Satu Spesies Satu Ekosistem?
Untuk menyoroti nilai potensial dari mempelajari sistem tertutup, pada awalnya kami mengajukan pertanyaan sederhana tentang berapa banyak spesies yang diperlukan dalam sistem seperti itu untuk menunjukkan tingkat ketekunan yang wajar. Bisakah satu spesies saja (satu autotrof, misalnya) bertahan dalam sistem seperti itu? Inilah yang mungkin disebut hipotesis “satu spesies-satu ekosistem”.
Sepengetahuan kami, pertanyaan sederhana seperti itu tampaknya tidak pernah ditanyakan, meskipun “ekosistem satu spesies” telah dikemukakan. Dengan demikian, Chivian et al. menganalisis protein yang dikodekan dan fungsinya dalam bakteri kemoautotrofik pereduksi sulfat Desulforudis audaxviator . Mereka secara tentatif menyarankan bahwa ia memiliki “seluruh komponen biologis dari ekosistem sederhana dalam satu genom”, termasuk heterotrofi dan daur ulang sel-sel mati. Apakah ekosistem satu spesies mungkin?
Beberapa pertimbangan ekologi yang sederhana dan jelas dari sistem tertutup dengan satu spesies autotrof menggambarkan kondisi di mana ini mungkin masuk akal. Pertama, sumber daya yang dibutuhkan untuk pertumbuhan dan reproduksi harus dapat didaur ulang. Kedua, sumber daya tersebut tidak dapat masuk ke dalam kumpulan yang “tidak tersedia” (sepenuhnya diasingkan); jika tidak, sumber daya akhirnya turun ke nol, dan sistem tidak dapat lagi mempertahankan kehidupan.
Sederhana, teori terkenal membantu menggambarkan masalah ini. Pertimbangkan N individu dari suatu spesies dan satu sumber daya R. Misalkan c 1 adalah laju penyerapan sumber daya dan c 2 adalah laju pelepasan kembali sumber daya dari organisme ke lingkungan melalui dekomposisi (misalnya, individu mati). Membiarkanb menjadi tingkat konversi sumber daya menjadi keturunan dan d menjadi tingkat kematian. Kemudian, laju perubahan 2 komponen ini diberikan oleh
- dN / dt =bc1R N d _ N .[1a]
- dR / dt =_c1R N + c2d N .[1b]
Dalam sistem seperti itu, untuk peningkatan populasi, R harus lebih besar dari d / bc 1 (yaitu, jumlah sumber daya awal minimum diperlukan agar sistem berfungsi). Persamaan ini, analog dengan model pemangsa-mangsa Lotka–Volterra, memprediksi “siklus batas netral” sedemikian rupa sehingga sumber daya dan kelimpahan populasi berosilasi, akhirnya (dengan variasi kebetulan) mengarah ke R di bawah ambang batas ketika sistem mati.
Namun, sistem seperti itu dapat distabilkan dalam beberapa cara. Misalnya, jika cahaya yang mencapai setiap individu berkurang seiring pertumbuhan populasi (misalnya, dengan naungan sendiri), maka modifikasi Persamaan. 1 , kita dapatkan
di mana L adalah input cahaya dan c 3 N adalah penurunannya dengan ukuran populasi. Ini pada dasarnya adalah model klasik pertumbuhan penduduk di bawah sumber daya yang terbatas tetapi dengan kembalinya sumber daya ke kumpulan yang tersedia. Sistem seperti itu juga menggambarkan pentingnya dinamika pengurai dalam siklus ekosistem, seperti sekarang keseimbangan R dan N meningkat dengan meningkatnya tingkat pengembalian, c 2, bahan mati ke kolam pengurai.
Asumsi dari contoh-contoh ini adalah bahwa organisme memiliki kapasitas enzimatik untuk mencerna ekskretorisnya sendiri atau bahan mati, dan sementara ini telah disarankan dalam kasus Desulforudis, mungkin tidak biasa mengingat tingginya tingkat spesialisasi di sebagian besar autotrof. Namun, banyak autotrof memiliki beberapa kemampuan heterotrof , dan bahkan mikroba autotrof klasik, seperti cyanobacteria, memiliki aktivitas metabolisme alternatif yang telah dideteksi melalui interpretasi fungsional data genom .
Kami memberikan contoh teoretis ini bukan untuk membuktikan bahwa mereka bekerja di alam tetapi untuk menunjukkan bahwa, bahkan untuk ekosistem dunia nyata yang paling sederhana, kami tidak mengetahui jumlah dan jenis spesies yang diperlukan untuk kegigihan sistem. Persamaan yang kami sajikan juga menekankan bahwa, bahkan dalam ekosistem yang paling sederhana, menentukan alasan kegigihan mungkin tidak intuitif dan tentu saja tidak dapat dijelaskan secara berguna dengan generalisasi, seperti kemampuan untuk mendaur ulang sumber daya atau keanekaragaman hayati. Bahkan jika pengurai termasuk dalam sistem, dapatkah sumber daya didaur ulang secara memadai dan lengkap? Jika mereka memasuki kolam “tidak tersedia” apa pun, bahkan dengan kecepatan lambat, sistem pada akhirnya akan gagal (dalam arti bahwa tidak ada organisme hidup yang akan bertahan). Dalam beberapa eksperimen sistem tertutup terpanjang (multigenerasi) yang dilakukan hingga saat ini , kelimpahan organisme menunjukkan penurunan yang stabil selama beberapa bulan. Kami tidak tahu apakah penurunan tersebut merupakan tipikal dari sistem tertutup atau bagaimana mereka dapat dielakkan.
Pendekatan Metodologis
Studi awal biosfer biasanya menggunakan komunitas kompleks dan tidak terdefinisi yang dirancang untuk meniru lingkungan alami, tetapi ketidaktahuan tentang komposisi spesies dan parameter terukur yang jelas membatasi interpretasi hasil. Perubahan paling penting yang sekarang membuat studi tentang sistem self-enclosed menarik adalah bahwa mereka menjadi sangat layak karena kemajuan dalam pengurutan throughput tinggi, teknologi sensor, dan robotika.
Pengurutan throughput tinggi telah membuka pintu besar karena kami sekarang dapat memantau perubahan komposisi komunitas mikroba dari waktu ke waktu menggunakan berbagai alat yang tidak tersedia untuk pionir sistem tertutup awal (misalnya, barcode, transkriptomik, proteomik, PCR kuantitatif). Alat tersebut dapat digunakan untuk mempelajari perubahan komposisi spesies atau untuk mengkonfirmasi komposisi spesies dan yang terpenting, mengidentifikasi kontaminasi. Mereka dapat digunakan untuk mempelajari perubahan genetik dalam spesies, terutama pada mikroorganisme seperti bakteri di mana perubahan dapat semakin ditafsirkan untuk fungsi metabolisme dan fenotipe.
Kemajuan dalam teknologi sensor, khususnya sensor kimia optik, kini menyediakan pemantauan tak rusak dari status sistem, dengan miniaturisasi progresif, sensitivitas, dan pengurangan biaya. Kemajuan dalam deteksi tidak terbatas pada komponen lingkungan tetapi juga mencakup pemantauan biologis in situ, beberapa yang paling mencolok adalah penggunaan fluoresensi galur yang dimodifikasi secara genetik untuk mendeteksi perubahan kelimpahan organisme in situ.
Robotika sekarang dapat menghasilkan beberapa budaya ulangan, dan sementara kita tahu tidak ada penerapan ini pada sistem tertutup, pendekatan robotik semacam itu sekarang memungkinkan studi proses dalam mikrokosmos eksperimental dalam skala besar dan dengan ribuan ulangan. Tak satu pun dari pendekatan ini sederhana, dan mereka akan terus menantang kecerdikan kita. Namun, ada perbedaan generasi antara apa yang mungkin sekarang dan apa yang tersedia pada masa perintis biosfer awal.
