Komunitas biologis terus berubah. Komposisi spesies berubah, terkadang secara dramatis, seiring dengan respons ekosistem terhadap tekanan lingkungan. Memprediksi perubahan ini sangat penting untuk memahami dinamika ekologi, dari sistem alami seperti plankton laut hingga lingkungan rekayasa seperti mikrobioma usus manusia atau proses bioteknologi. Kini, model mekanistik baru, yang diuji secara ketat dengan alga air tawar, menunjukkan kemampuan luar biasa dalam meramalkan bagaimana komunitas biologis akan berevolusi.
Kekuatan Pemodelan Mekanistik
Model ekologi tradisional sering kali mengandalkan korelasi statistik, sehingga tidak dapat diandalkan. Namun model mekanistik dibangun berdasarkan prinsip biologis mendasar—bagaimana spesies berinteraksi, bersaing untuk mendapatkan sumber daya, dan pada akhirnya hidup berdampingan atau punah. Pendekatan ini menawarkan potensi prediksi yang lebih akurat. Para peneliti di Universitas Konstanz kini telah memvalidasi janji ini dengan model sumber daya konsumen yang diperluas, dan mempublikasikan temuan mereka di Nature Communications.
Tim tersebut menyempurnakan aturan yang ada yang mengatur hidup berdampingan spesies, dan menegaskan kapasitas prediksi model mereka yang tinggi. Implikasinya luas: mulai dari memprediksi masa depan ekosistem alami hingga mempengaruhi perkembangan komunitas biologis hasil rekayasa.
Metode Modern Memungkinkan Pengujian yang Ketat
Landasan teori penelitian ini dimulai pada tahun 1960an. Jadi mengapa validasi eksperimental komprehensif baru bisa dilakukan sekarang? Jawabannya terletak pada munculnya otomatisasi laboratorium berkecepatan tinggi.
“Upaya sebelumnya menunjukkan beberapa keberhasilan, namun studi yang benar-benar komprehensif memerlukan sejumlah besar eksperimen,” jelas Lutz Becks, profesor limnologi dan penulis utama studi tersebut. “Hanya dengan peralatan modern kami dapat menyelesaikan ini dalam jangka waktu yang wajar.”
Fase awal melibatkan penentuan kebutuhan nutrisi spesies alga yang berbeda, yang memerlukan 864 percobaan pertumbuhan. Setiap monokultur disiapkan dengan sistem robot, dan jumlah alga diotomatisasi menggunakan mikroskop high-throughput. Dalam eksperimen yang melibatkan komunitas campuran, kecerdasan buatan membantu dalam mengidentifikasi spesies.
Validasi Model: Prediksi Memenuhi Kenyataan
Data dari eksperimen ini digunakan untuk menyempurnakan model yang ada, dengan memasukkan pemanfaatan sumber daya sebagai parameter utama. Para peneliti kemudian melakukan 960 percobaan tambahan, menggabungkan spesies alga dalam berbagai kondisi nutrisi. Prediksi model tersebut dibandingkan dengan perkembangan komunitas yang diamati, dan hasilnya sangat mengejutkan: model mekanistik secara akurat memprediksi komposisi komunitas yang berbeda.
Menyempurnakan Aturan Ekologis
Para peneliti juga menggunakan model mereka untuk menguji dua aturan ekologi yang dirumuskan oleh ahli biologi David Tilman. Aturan-aturan ini menyatakan bahwa spesies yang bersaing untuk mendapatkan sumber daya yang terbatas akan hidup berdampingan atau saling menggantikan, tergantung pada apakah mereka dibatasi oleh sumber daya yang berbeda dan apakah masing-masing spesies mengonsumsi lebih banyak sumber daya yang membatasi pertumbuhannya.
Simulasi tersebut mengungkapkan bahwa hanya aturan pertama—yaitu spesies harus dibatasi oleh sumber daya yang berbeda—yang berlaku secara universal. Aturan kedua—bahwa spesies mengonsumsi lebih banyak sumber daya sehingga membatasi pertumbuhannya—hanya berlaku ketika spesies bersaing untuk mendapatkan sumber daya yang dapat digantikan, bukan sumber daya yang penting.
“Kita harus selalu membedakan antara dua kelas nutrisi ini ketika menerapkan aturan tersebut,” jelas Zhijie Zhang, penulis pertama studi tersebut.
Implikasinya terhadap Perlindungan Iklim
Pendekatan yang dikembangkan dalam penelitian ini sekarang akan diterapkan pada proyek yang berfokus pada penyerapan CO₂ melalui fitoplankton. Proyek ini, yang didukung oleh Vector Stiftung, bertujuan untuk memanfaatkan komunitas biologis untuk melakukan mitigasi perubahan iklim.
Kemampuan model ini untuk memprediksi pergeseran ekosistem secara akurat menawarkan alat yang ampuh untuk mengelola dan memanipulasi sistem biologis, mulai dari lingkungan alami hingga proses bioteknologi yang direkayasa. Penelitian ini menandai langkah signifikan menuju pemahaman dinamika ekologi yang lebih prediktif dan terkendali
