Toward an integrated theory of the relationship between chemotrophic microbial communities and free energy

走向化能微生物群落与自由能之间关系的综合理论

基本信息

批准号：
22K06390
负责人：
瀬戸繭美
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Nara Women's University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究は多様な化学反応からエネルギーを獲得する微生物群集や群集の合成するネットワークの特徴量と、エネルギーを普遍的に記述する熱力学におけるエネルギー状態量との関係を理解するための方法論の確立と理論構築を目指す。生物多様性と生態系の物質流やエネルギー流により与えられるとする生態系機能との関係は長く生態学における1つの問いであるが、反応の利用の多様性と化学エネルギーの関係性を理論的に問う点が本研究の新規制である。初年度に当たる令和4年度は、申請者がこれまで開発してきた数理モデルを発展させ、数百-数千から成る化学反応と微生物種から構成される生態系ネットワークシミュレーションを実施可能とするEco-Redoxモデルを開発した。Eco-Redoxモデルによる数値演算を網羅的に実施することにより、単純なネットワークから構成される群集のエネルギー利用と複雑なネットワークから構成される群集のそれを比較することが可能となった。その結果、ネットワークの複雑性（微生物代謝機能の多様性）や分業による循環構造の維持が、群集全体におけるエネルギー転換効率を上昇することを発見した。本研究成果を2本の論文にまとめ、現在それぞれ国際誌に投稿・査読中である。また、本研究成果に関する成果を国内の学会やシンポジウムで8件発表し、内6件が招待公演、1件が国内開催の国際シンポジウムである。ここまでで得られた仮説を検証するために、窒素反応ネットワークに特化したEco-Redoxモデルにより、微生物窒素代謝ネットワーク進化の再現研究を進めている。また、実証研究を模索するため、水圏の電位測定と環境DNAサンプリングを合わせた化学エネルギーと微生物群集組成動態のモニタリングに着手した。

本研究旨在建立一种方法来理解微生物群落的特征以及从各种化学反应中获取能量的群落所合成的网络与热力学中的能量状态之间的关系，旨在构建普遍描述能量的理论。生物多样性与生态系统功能之间的关系（假设由生态系统物质和能量流提供）长期以来一直是生态学中的一个问题，但反应用途的多样性与化学能之间的关系已在理论上得到了研究。本研究的监管。在2020财年，即第一年，申请人将开发申请人迄今为止开发的数学模型，并将能够对由数百至数千个化学反应和微生物物种组成的生态网络模拟开发氧化还原模型。通过使用 Eco-Redox 模型进行综合数值计算，可以比较由简单网络组成的人群与由复杂网络组成的人群的能源使用情况。结果，他们发现网络复杂性（微生物代谢功能的多样性）和通过分工维持循环结构提高了整个群落的能量转换效率。这项研究的结果已汇编成两篇论文，目前正在国际期刊上提交并接受同行评审。此外，该研究成果已在日本学术会议和研讨会上发表过八次，其中六次受邀表演，一次是在日本举办的国际研讨会。为了验证迄今为止获得的假设，我们正在进行研究，使用专门研究氮反应网络的 Eco-Redox 模型来重现微生物氮代谢网络的演化。此外，为了探索实证研究，我们开始结合水圈电位测量和环境 DNA 采样来监测化学能和微生物群落组成动态。