Κρυφό χάος που βρέθηκε να κρύβεται στα οικοσυστήματα
Οι φυσικοί επιστήμονες φαίνεται να βρίσκουν το φαινόμενο του χάους παντού:στις τροχιές των πλανητών, στα καιρικά συστήματα, στις στροβιλιζόμενες δίνες ενός ποταμού. Για σχεδόν τρεις δεκαετίες, οι οικολόγοι θεωρούσαν ότι το χάος στον ζωντανό κόσμο ήταν εκπληκτικά σπάνιο συγκριτικά. Μια νέα ανάλυση, ωστόσο, αποκαλύπτει ότι το χάος είναι πολύ πιο διαδεδομένο στα οικοσυστήματα από όσο νόμιζαν οι ερευνητές.
Η Τάνια Ρότζερς κοίταζε πίσω στην επιστημονική βιβλιογραφία για πρόσφατες μελέτες σχετικά με το χάος στα οικοσυστήματα, όταν ανακάλυψε κάτι απροσδόκητο:Κανείς δεν είχε δημοσιεύσει ποσοτική ανάλυσή του εδώ και περισσότερα από 25 χρόνια. «Ήταν κάπως περίεργο», είπε ο Ρότζερς, ερευνητής οικολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Κρουζ και ο πρώτος συγγραφέας της νέας μελέτης. "Όπως, "Δεν μπορώ να πιστέψω ότι κανείς δεν το έκανε αυτό."
Έτσι αποφάσισε να το κάνει μόνη της. Αναλύοντας περισσότερα από 170 σύνολα δεδομένων οικοσυστημάτων που εξαρτώνται από το χρόνο, η Rogers και οι συνεργάτες της διαπίστωσαν ότι το χάος υπήρχε στο ένα τρίτο από αυτά - σχεδόν τρεις φορές περισσότερο από τις εκτιμήσεις σε προηγούμενες μελέτες. Επιπλέον, ανακάλυψαν ότι ορισμένες ομάδες οργανισμών, όπως το πλαγκτόν, τα έντομα και τα φύκια, ήταν πολύ πιο επιρρεπείς στο χάος από τους μεγαλύτερους οργανισμούς όπως οι λύκοι και τα πουλιά.
«Αυτό πραγματικά δεν υπήρχε καθόλου στη βιβλιογραφία», είπε ο Stephan Munch, εξελικτικός οικολόγος στο Santa Cruz και συν-συγγραφέας της μελέτης. Τα αποτελέσματά τους υποδηλώνουν ότι για την προστασία των ευάλωτων ειδών, είναι δυνατό και απαραίτητο να δημιουργηθούν πιο περίπλοκα μοντέλα πληθυσμού ως οδηγοί για πολιτικές διατήρησης.
Όταν η οικολογία αναγνωρίστηκε για πρώτη φορά ως επίσημη επιστήμη τον 19ο αιώνα, η επικρατούσα υπόθεση ήταν ότι η φύση ακολουθεί απλούς, εύκολα κατανοητούς κανόνες, όπως ένα μηχανικό ρολόι που κινείται από συμπλεκόμενα γρανάζια. Εάν οι επιστήμονες μπορούσαν να μετρήσουν τις σωστές μεταβλητές, θα μπορούσαν να προβλέψουν το αποτέλεσμα:Περισσότερες βροχές, για παράδειγμα, θα σήμαιναν καλύτερη συγκομιδή μήλων.
Στην πραγματικότητα, λόγω του χάους, «ο κόσμος είναι πολύ πιο σφοδρός», είπε ο George Sugihara, ποσοτικός οικολόγος στο Ινστιτούτο Ωκεανογραφίας Scripps στο Σαν Ντιέγκο, ο οποίος δεν συμμετείχε στη νέα έρευνα. Το χάος αντανακλά την προβλεψιμότητα με την πάροδο του χρόνου. Ένα σύστημα λέγεται ότι είναι σταθερό εάν αλλάζει πολύ λίγο σε μεγάλο χρονικό διάστημα και τυχαίο εάν οι διακυμάνσεις του είναι απρόβλεπτες. Ωστόσο, ένα χαοτικό σύστημα - ένα σύστημα που διέπεται από μη γραμμικές αποκρίσεις σε γεγονότα - μπορεί να είναι προβλέψιμο σε σύντομες περιόδους, αλλά υπόκειται σε ολοένα και πιο δραματικές αλλαγές όσο προχωράτε.
«Συχνά δίνουμε τον καιρό ως παράδειγμα χαοτικού συστήματος», είπε ο Rogers. Μια καλοκαιρινή αύρα πάνω από τον ανοιχτό ωκεανό πιθανότατα δεν θα επηρεάσει την αυριανή πρόβλεψη, αλλά κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες, θα μπορούσε θεωρητικά να στείλει έναν τυφώνα στην Καραϊβική σε λίγες εβδομάδες.
Οι οικολόγοι άρχισαν να φλερτάρουν με την έννοια του χάους τη δεκαετία του 1970, όταν ο μαθηματικός βιολόγος Ρόμπερτ Μέι ανέπτυξε ένα επαναστατικό εργαλείο που ονομάζεται λογιστικός χάρτης. Αυτό το διάγραμμα διακλάδωσης (μερικές φορές γνωστό ως γραφική παράσταση ιστού αράχνης λόγω της εμφάνισής του) δείχνει πώς το χάος σέρνεται σε απλά μοντέλα αύξησης του πληθυσμού και άλλα συστήματα με την πάροδο του χρόνου. Δεδομένου ότι η επιβίωση των οργανισμών επηρεάζεται τόσο πολύ από χαοτικές δυνάμεις όπως ο καιρός, οι οικολόγοι υπέθεσαν ότι οι πληθυσμοί των ειδών στη φύση συχνά αυξάνονταν και έπεφταν χαοτικά. Οι λογιστικοί χάρτες έγιναν γρήγορα πανταχού παρόντες στο πεδίο καθώς οι θεωρητικοί οικολόγοι προσπάθησαν να εξηγήσουν τις διακυμάνσεις του πληθυσμού σε οργανισμούς όπως ο σολομός και τα φύκια που προκαλούν τις κόκκινες παλίρροιες.
Στις αρχές της δεκαετίας του '90, οι οικολόγοι είχαν συγκεντρώσει αρκετά σύνολα δεδομένων χρονοσειρών για τους πληθυσμούς των ειδών και αρκετή υπολογιστική ισχύ για να δοκιμάσουν αυτές τις ιδέες. Υπήρχε μόνο ένα πρόβλημα:Το χάος δεν φαινόταν να υπάρχει. Μόνο το 10% περίπου των πληθυσμών που εξετάστηκαν φάνηκε να αλλάζει χαοτικά. οι υπόλοιποι είτε έκαναν σταθερό κύκλο είτε αυξάνονταν τυχαία. Οι θεωρίες για το χάος των οικοσυστημάτων έπεσαν από την επιστημονική μόδα στα μέσα της δεκαετίας του 1990.
Ωστόσο, τα νέα αποτελέσματα από τον Rogers, τον Munch και τη μαθηματικό συνάδελφό τους από τη Santa Cruz, Bethany Johnson, υποδηλώνουν ότι το παλαιότερο έργο έχασε εκεί που κρυβόταν το χάος. Για τον εντοπισμό του χάους, οι προηγούμενες μελέτες χρησιμοποιούσαν μοντέλα με μία μόνο διάσταση - το μέγεθος του πληθυσμού ενός είδους με την πάροδο του χρόνου. Δεν εξέτασαν τις αντίστοιχες αλλαγές σε ακατάστατους παράγοντες του πραγματικού κόσμου όπως η θερμοκρασία, το ηλιακό φως, οι βροχοπτώσεις και οι αλληλεπιδράσεις με άλλα είδη που μπορεί να επηρεάσουν τους πληθυσμούς. Τα μονοδιάστατα μοντέλα τους αποτύπωσαν πώς άλλαξαν οι πληθυσμοί, αλλά όχι γιατί άλλαξαν.
Αλλά ο Ρότζερς και ο Μουνκ «έψαξαν για το [χάος] με πιο λογικό τρόπο», είπε ο Άαρον Κινγκ, καθηγητής οικολογίας και εξελικτικής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν που δεν συμμετείχε στη μελέτη. Χρησιμοποιώντας τρεις διαφορετικούς σύνθετους αλγόριθμους, ανέλυσαν 172 χρονοσειρές πληθυσμών διαφορετικών οργανισμών ως μοντέλα με έως και έξι διαστάσεις και όχι μόνο μία, αφήνοντας χώρο για την πιθανή επίδραση απροσδιόριστων περιβαλλοντικών παραγόντων. Με αυτόν τον τρόπο, θα μπορούσαν να ελέγξουν εάν απαρατήρητα χαοτικά μοτίβα θα μπορούσαν να ενσωματωθούν στη μονοδιάστατη αναπαράσταση των πληθυσμιακών μετατοπίσεων. Για παράδειγμα, περισσότερες βροχοπτώσεις μπορεί να συνδέονται χαοτικά με την αύξηση ή τη μείωση του πληθυσμού, αλλά μόνο μετά από καθυστέρηση αρκετών ετών.
Στα δεδομένα πληθυσμού για το 34% περίπου των ειδών, ανακάλυψαν οι Rogers, Johnson και Munch, οι υπογραφές των μη γραμμικών αλληλεπιδράσεων ήταν πράγματι παρούσες, κάτι που ήταν σημαντικά μεγαλύτερο χάος από ό,τι είχε εντοπιστεί προηγουμένως. Στα περισσότερα από αυτά τα σύνολα δεδομένων, οι πληθυσμιακές αλλαγές για το είδος δεν φάνηκαν αρχικά χαοτικές, αλλά η σχέση των αριθμών με τους υποκείμενους παράγοντες ήταν. Δεν μπορούσαν να πουν με ακρίβεια ποιοι περιβαλλοντικοί παράγοντες ήταν υπεύθυνοι για το χάος, αλλά ό,τι κι αν ήταν, τα δακτυλικά τους αποτυπώματα ήταν στα δεδομένα.
Οι ερευνητές αποκάλυψαν επίσης μια αντίστροφη σχέση μεταξύ του μεγέθους του σώματος ενός οργανισμού και του πόσο χαοτική τείνει να είναι η δυναμική του πληθυσμού του. Αυτό μπορεί να οφείλεται σε διαφορές στο χρόνο παραγωγής, με τους μικρούς οργανισμούς που αναπαράγονται πιο συχνά να επηρεάζονται επίσης συχνότερα από εξωτερικές μεταβλητές. Για παράδειγμα, οι πληθυσμοί διατόμων με γενιές περίπου 15 ωρών παρουσιάζουν πολύ μεγαλύτερο χάος από ό,τι οι αγέλες λύκων με γενιές σχεδόν πέντε ετών.
Ωστόσο, αυτό δεν σημαίνει απαραίτητα ότι οι πληθυσμοί των λύκων είναι εγγενώς σταθεροί. «Μια πιθανότητα είναι να μην βλέπουμε χάος εκεί γιατί απλά δεν έχουμε αρκετά δεδομένα για να επιστρέψουμε σε αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα για να το δούμε», είπε ο Μουνκ. Στην πραγματικότητα, αυτός και ο Ρότζερς υποψιάζονται ότι λόγω των περιορισμών των δεδομένων τους, τα μοντέλα τους μπορεί να υποτιμούν πόσο μεγάλο χάος υπάρχει στα οικοσυστήματα.
Ο Sugihara πιστεύει ότι τα νέα αποτελέσματα μπορεί να είναι σημαντικά για τη διατήρηση. Τα βελτιωμένα μοντέλα με το σωστό στοιχείο του χάους θα μπορούσαν να κάνουν καλύτερη δουλειά στην πρόβλεψη της άνθισης τοξικών φυκών, για παράδειγμα, ή στην παρακολούθηση των πληθυσμών των αλιέων για την πρόληψη της υπεραλίευσης. Η εξέταση του χάους θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει τους ερευνητές και τους διαχειριστές διατήρησης να κατανοήσουν πόσο μακριά είναι δυνατή η ουσιαστική πρόβλεψη του μεγέθους του πληθυσμού. "Πιστεύω ότι είναι χρήσιμο το θέμα να βρίσκεται στο μυαλό των ανθρώπων", είπε.
Ωστόσο, τόσο αυτός όσο και ο King προειδοποιούν να μην πιστέψουμε υπερβολικά σε αυτά τα μοντέλα που συνειδητοποιούν το χάος. «Η κλασική έννοια του χάους είναι θεμελιωδώς μια στάσιμη έννοια», είπε ο King:Είναι χτισμένη στην υπόθεση ότι οι χαοτικές διακυμάνσεις αντιπροσωπεύουν μια απόκλιση από κάποιο προβλέψιμο, σταθερό κανόνα. Αλλά καθώς η κλιματική αλλαγή προχωρά, τα περισσότερα οικοσυστήματα του πραγματικού κόσμου γίνονται όλο και πιο ασταθή ακόμη και βραχυπρόθεσμα. Ακόμη και αν ληφθούν υπόψη πολλές διαστάσεις, οι επιστήμονες θα πρέπει να έχουν επίγνωση αυτής της διαρκώς μεταβαλλόμενης βασικής γραμμής.
Ωστόσο, το να ληφθεί υπόψη το χάος είναι ένα σημαντικό βήμα προς την ακριβέστερη μοντελοποίηση. «Νομίζω ότι αυτό είναι πραγματικά συναρπαστικό», είπε ο Μουνκ. "Απλώς έρχεται σε αντίθεση με τον τρόπο που σκεφτόμαστε αυτήν τη στιγμή την οικολογική δυναμική."
