Биологи долгое время считали микроскопические миры почвы или человеческого кишечника воплощением хаоса. В крошечном фрагменте земли могут сосуществовать тысячи видов бактерий, каждая из которых ведет свой образ жизни и постоянно вступает в сложные отношения с соседями. Казалось бы, чем больше участников в такой системе, тем труднее предсказать ее поведение. Однако физики из Университета Вашингтона в Сент-Луисе представили доказательства обратного процесса. Их исследование, опубликованное в авторитетном научном журнале, показывает, что высокая сложность экосистемы парадоксальным образом делает ее более понятной для ученых и поддающейся моделированию.

Почему хаос микробов поддается расчету

Михаил Тихонов, доцент физики, вместе со своей командой обнаружил, что при определенных условиях увеличение разнообразия видов позволяет использовать более простые модели для прогнозирования. Это идет вразрез с привычным представлением, где каждая новая переменная лишь сильнее запутывает общую картину. Физик объясняет это тем, что в сверхсложных сообществах индивидуальные странности отдельных бактерий перестают играть решающую роль. Но дело не только в банальном усреднении показателей, которое всегда происходит в больших группах.

Исследователи выделили три уровня простоты, которые возникают в биологических системах:

• статистическая закономерность, когда при большом количестве данных мелкие отклонения нивелируются сами собой;
• родственная схожесть, при которой близкие виды бактерий ведут себя примерно одинаково;
• глубинная биологическая структура, позволяющая делать содержательные прогнозы о работе всей системы в целом.

Именно третий тип простоты представляет наибольший интерес. Он означает, что в сообществе существуют жесткие биологические ограничения, которые связывают всех участников в единый, предсказуемый механизм. Чтобы подтвердить свои выводы, ученые создавали в лаборатории искусственные колонии бактерий, взятых из реальных образцов почвы и кишечника человека.

Точные измерения вместо общих предположений

Вместо того чтобы просто констатировать факт предсказуемости, физики решили выяснить, какой объем информации необходим для улучшения качества прогноза. Оказалось, что чем выше разнообразие микробной среды, тем ценнее становятся даже поверхностные данные о ее составе. Это позволяет исследователям буквально замерять уровень неопределенности и тестировать свои гипотезы с математической точностью.

Когда мы понимаем, как именно сложность превращается в порядок, мы получаем возможность предсказывать продукты жизнедеятельности бактерий, например, результаты ферментации, не зная каждой детали о поведении каждого конкретного микроба.

Такой подход напоминает развитие представлений о случайности в науке. Раньше ученые называли случайным все, что не могли объяснить. Со временем они научились разделять обычный шум измерений, истинно случайные процессы и сложную динамику, которая только кажется хаотичной. Аналогичный путь сейчас проходит экология микромира, переходя от общих описаний к строгим формулам.

Практическая польза микробного разнообразия

Эксперименты показали, что при достижении высокого уровня биологического разнообразия общие сведения о группе бактерий позволяют с большой точностью предсказать результат их совместной деятельности. На практике это может означать прорыв в нескольких ключевых сферах:

1. В сельском хозяйстве фермеры смогут точнее прогнозировать плодородие почв и эффективность удобрений, опираясь на состав почвенных микроорганизмов;
2. В медицине врачи получат инструменты для оценки состояния микрофлоры кишечника и её влияния на общее здоровье пациента;
3. В биотехнологиях станет проще контролировать сложные процессы брожения и переработки органических отходов;
4. Экологи смогут лучше оценивать устойчивость природных систем к внешним изменениям климата или загрязнениям.

Работа Луиса Грэма, Джейкоба Морана и Михаила Тихонова, детально описанная в статье Научный журнал Сайенс, закладывает фундамент для нового теоретического языка. Этот язык необходим для описания систем, которые слишком сложны для изучения по отдельным частям, но удивительно логичны, если смотреть на них целиком.

Хотя мгновенного переворота в медицине или агрономии ждать не стоит, концептуальный сдвиг уже произошел. Ученые перестали бояться сложности и начали воспринимать ее как союзника. Дальнейшее изучение биологических ограничений внутри сообществ покажет, насколько глубоко мы можем заглянуть в будущее сложных систем. Понимание того, как функционируют сообщества микробов, делает наш мир чуть менее хаотичным и гораздо более понятным для управления.