Ο Οικολόγος που Έριξε Αστερίες

Ακόμη και το 1963, έπρεπε να πάει κανείς αρκετά μακριά για να βρει μέρη στις Ηνωμένες Πολιτείες που δεν ενοχλούνταν από τον κόσμο. Μετά από αρκετή αναζήτηση, ο Robert Paine, ένας πρόσφατα διορισμένος επίκουρος καθηγητής ζωολογίας στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σιάτλ, βρήκε μια μεγάλη προοπτική στη βορειοδυτική γωνία των κάτω 48 πολιτειών.

Σε μια εκδρομή με μαθητές στην ακτή του Ειρηνικού, ο Πέιν κατέληξε στον κόλπο Mukkaw, στην άκρη της Ολυμπιακής Χερσονήσου. Η παραλία με άμμο και χαλίκια του καμπυλωτού κόλπου έβλεπε δυτικά στον ανοιχτό ωκεανό και ήταν διάσπαρτη με μεγάλες προεξοχές. Ανάμεσα στους βράχους, ο Πέιν ανακάλυψε μια ακμάζουσα κοινότητα. Οι λίμνες ήταν γεμάτες από πολύχρωμα πλάσματα—πράσινες ανεμώνες, μωβ αχινούς, ροζ φύκια, έντονο κόκκινο αστερίες του Ειρηνικού, καθώς και σφουγγάρια, πεταλούδες και χιτώνες. Κατά μήκος των όψεων του βράχου, η άμπωτη αποκάλυψε ζώνες μικρών βελανιδιών βελανίδιων, και μεγάλων χήνων με μίσχο, κρεβάτια από μαύρα μύδια Καλιφόρνια και μερικούς πολύ μεγάλους, μοβ και πορτοκαλί αστερίες, που ονομάζονται Pisaster ochraceus .

«Ουάου, αυτό έψαχνα», σκέφτηκε.

Τον επόμενο μήνα, τον Ιούνιο του 1963, έκανε το τετράωρο ταξίδι της επιστροφής στο Mukkaw από το Σιάτλ, διασχίζοντας πρώτα το Puget Sound με το πλοίο, μετά οδηγώντας κατά μήκος της ακτογραμμής των Στενών του Juan de Fuca, μετά στα εδάφη του Έθνους Makah, και έξω στον όρμο του κόλπου Mukkaw. Κατά την άμπωτη, σκόρπισε σε μια βραχώδη επιφάνεια.

Με έναν λοστό στο χέρι και συγκεντρώνοντας όλη τη δύναμη που μπορούσε με το σκελετό του 6 ποδιών και 6 ιντσών, ξέσπασε κάθε μωβ ή πορτοκαλί αστερία στην πλάκα, τους άρπαξε και τους πέταξε όσο πιο μακριά μπορούσε μέσα στο κόλπο.

Έτσι ξεκίνησε ένα από τα πιο σημαντικά πειράματα στην ιστορία της οικολογίας.

Η δεκαετία του 1960 ήταν μια εποχή επανάστασης, αλλά δεν ήταν όλα μόνο σεξ, ναρκωτικά και ροκ εν ρολ. Μέσα σε εργαστήρια σε όλο τον κόσμο, οι επιστήμονες έψαχναν τα βάθη του γονιδίου για να αποκρυπτογραφήσουν τον γενετικό κώδικα και τους μοριακούς κανόνες της ζωής, πυροδοτώντας μια επανάσταση που θα συγκέντρωνε δεκάδες βραβεία Νόμπελ και θα μεταμόρφωσε τελικά την ιατρική.

Αλλά σε μεγάλο βαθμό έξω από αυτό το προσκήνιο, μερικοί άλλοι βιολόγοι είχαν αρχίσει να κάνουν μερικές απλές, φαινομενικά αφελείς ερωτήσεις για τον ευρύτερο κόσμο:Γιατί ο πλανήτης είναι πράσινος; Γιατί τα ζώα δεν τρώνε όλο το φαγητό; Και τι συμβαίνει όταν ορισμένα ζώα απομακρύνονται από ένα μέρος; Αυτά τα ερωτήματα οδήγησαν στην ανακάλυψη ότι, όπως υπάρχουν μοριακοί κανόνες που ρυθμίζουν τον αριθμό των διαφορετικών ειδών μορίων και κυττάρων στο σώμα, υπάρχουν οικολογικοί κανόνες που ρυθμίζουν τους αριθμούς και τα είδη ζώων και φυτών σε ένα δεδομένο μέρος. Και αυτοί οι κανόνες μπορεί να έχουν τόση ή μεγαλύτερη σχέση με τη μελλοντική μας ευημερία από όλους τους μοριακούς κανόνες που μπορεί να ανακαλύψουμε ποτέ.

Γιατί ο πλανήτης είναι πράσινος;

Το ταξίδι του Paine στον κόλπο Mukkaw και τον αστερία του ήταν κυκλικό. Γεννημένος και μεγαλωμένος στο Κέιμπριτζ της Μασαχουσέτης, τα ενδιαφέροντα του Πέιν για τη φύση τροφοδοτήθηκαν με την εξερεύνηση των δασών της Νέας Αγγλίας. Η πρώτη του αγάπη ήταν η παρατήρηση πουλιών, με πεταλούδες και σαλαμάνδρες κοντά σε δευτερόλεπτα. Ο Πέιν εμπνεύστηκε από τα γραπτά επιφανών φυσιοδίφες, οι οποίοι άνοιξαν τα μάτια του στο δράμα της άγριας ζωής. Ήταν τόσο ενθουσιασμένος από τις οικείες αφηγήσεις για τη συμπεριφορά της αράχνης όσο και από τις θρυλικές ιστορίες του Jim Corbett για τον εντοπισμό τίγρεων και λεοπαρδάλεων στην επαρχία της Ινδίας, στο Ανθρωποφάγοι του Kumaon .

Αφού εγγράφηκε στο Χάρβαρντ και εμπνεύστηκε από αρκετούς διάσημους παλαιοντολόγους στη σχολή, ο Πέιν ανέπτυξε ένα έντονο νέο ενδιαφέρον για τα απολιθώματα ζώων. Ήταν τόσο γοητευμένος από τα θαλάσσια ζώα που ζούσαν στις θάλασσες πριν από περισσότερα από 400 εκατομμύρια χρόνια που αποφάσισε να σπουδάσει γεωλογία και παλαιοντολογία στο μεταπτυχιακό σχολείο του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν.

Οι απαιτήσεις του μαθήματος περιελάμβαναν μάλλον στεγνές έρευνες διαφόρων ζωικών «λογιών» - ιχθυολογία (ψάρια), ερπετολογία (ερπετά και αμφίβια) και ούτω καθεξής που ο Paine βρήκε πολύ βαρετό. Μια εξαίρεση ήταν ένα μάθημα για τη φυσική ιστορία των ασπόνδυλων του γλυκού νερού που διδάχθηκε από τον οικολόγο Fred Smith. Ο Πέιν εκτίμησε πώς ο καθηγητής προκάλεσε τους μαθητές του να σκεφτούν.

Μια αξέχαστη ανοιξιάτικη μέρα, μια μέρα που οι καθηγητές δεν θέλουν να διδάξουν και οι μαθητές δεν θέλουν να είναι μέσα, ο Σμιθ είπε στην τάξη:«Θα μείνουμε σε αυτό το δωμάτιο». Κοίταξε έξω σε ένα δέντρο που μόλις έβγαζε τα φύλλα του.

«Γιατί αυτό το δέντρο είναι πράσινο;» ρώτησε ο Smith κοιτάζοντας έξω από το παράθυρο.

«Χλωροφύλλη», απάντησε ένας μαθητής, ονομάζοντας σωστά τη χρωστική ουσία του φύλλου, αλλά ο Smith κατευθυνόταν σε διαφορετικό μονοπάτι.

«Γιατί δεν τρώγεται όλο το πράσινο;» Ο Σμιθ συνέχισε. Ήταν μια τόσο απλή ερώτηση, αλλά ο Σμιθ έδειξε πώς ακόμη και τέτοια βασικά πράγματα δεν ήταν γνωστά. «Υπάρχει μια σειρά από έντομα εκεί έξω. Ίσως κάτι τους ελέγχει;» σκέφτηκε.

Στο τέλος του πρώτου έτους του, ο Σμιθ ένιωσε τη δυστυχία του Πέιν με τη γεωλογία και του πρότεινε να εξετάσει την οικολογία. «Γιατί δεν είσαι μαθητής μου;» ρώτησε.

Ήταν μια σημαντική αλλαγή κατεύθυνσης, και υπήρχε μια αλιεία. Ο Πέιν πρότεινε να μελετηθούν ορισμένα απολιθωμένα ζώα από την περίοδο του Ντέβον σε κοντινούς βράχους. Ο Σμιθ είπε:«Καμία περίπτωση». Ο Πέιν έπρεπε να μελετήσει ζωντανά, όχι εξαφανισμένα πλάσματα. Ο Πέιν συμφώνησε και ο Σμιθ έγινε σύμβουλός του.

Ο Smith ενδιαφερόταν από καιρό για τα βραχιόποδα ή τα «κελύφη λαμπτήρων», θαλάσσια ζώα με πάνω και κάτω κέλυφος, ενωμένα σε μια άρθρωση. Ο Πέιν γνώριζε για τα ζώα επειδή ήταν άφθονα στα απολιθώματα, αλλά η σημερινή τους οικολογία δεν ήταν καλά γνωστή. Το πρώτο καθήκον του Paine ήταν να βρει ζωντανές μορφές. Ελλείψει κοντινού ωκεανού, ο Πέιν έκανε προσκοπικά ταξίδια στη Φλόριντα το 1957 και το 1958 και βρήκε μερικές πολλά υποσχόμενες τοποθεσίες. Με την έγκριση του Σμιθ, ξεκίνησε αυτό που ονόμασε «σαββατοκύριακο για πτυχιούχους-φοιτητές». Τον Ιούνιο του 1959, οδήγησε πίσω στη Φλόριντα και άρχισε να ζει έξω από το φορτηγό Volkswagen του. Για 11 μήνες μελέτησε την περιοχή, τον βιότοπο και τη συμπεριφορά ενός είδους.

Ήταν το είδος της εργασίας που παρείχε μια γερή βάση σε έναν φυσιοδίφη που εκπαιδεύονταν και θα κέρδιζε στον Πέιν το διδακτορικό του. Αλλά τα βραχιόποδα που τρέφονταν με φίλτρο δεν ήταν τα πιο δυναμικά ζώα. Και το κοσκίνισμα μεγάλων ποσοτήτων άμμου για τα πλάσματα μήκους λιγότερο από 1/4 ίντσας δεν ήταν πολύ συναρπαστικό.

Καθώς ο Πέιν φτυαρούσε κατά μήκος της ακτής του Κόλπου, δεν ήταν τα βραχιόποδα της Φλόριντα που αιχμαλώτισαν τη φαντασία του. Στη λαβή της Φλόριντα, ο Πέιν ανακάλυψε το θαλάσσιο εργαστήριο Alligator Harbor και του δόθηκε άδεια να μείνει εκεί. Στην άκρη του κοντινού Alligator Point, παρατήρησε ότι για μερικές ημέρες κάθε μήνα, η άμπωτη εξέθεσε μια τεράστια συγκέντρωση μεγάλων αρπακτικών σαλιγκαριών, όπως η κόγχη του αλόγου, μήκους περίπου ενός ποδιού. Η λάσπη και το πριονόχορτο του Alligator Point δεν ήταν καθόλου βαρετό, το αντίθετο - ήταν ένα πεδίο μάχης.

Εκτός από τη διατριβή του για τα βραχιόποδα, ο Πέιν έκανε μια προσεκτική μελέτη των σαλιγκαριών. Μέτρησε οκτώ άφθονα είδη σαλιγκαριών και κράτησε λεπτομερείς σημειώσεις για το ποιος έφαγε ποιον. Σε αυτήν την αρένα «το γαστερόποδο τρώει γαστερόποδα», ο Πέιν είδε ότι χωρίς εξαίρεση ήταν πάντα ένα μεγαλύτερο σαλιγκάρι που καταβρόχθιζε ένα μικρότερο, αλλά όχι ό,τι ήταν μικρότερο. Η κόγχη αλόγων 11 λιβρών, για παράδειγμα, έτρωγε σχεδόν αποκλειστικά με άλλα σαλιγκάρια και έδωσε λίγη προσοχή σε μικρότερα θηράματα, όπως οι αχιβάδες που ήταν ο κύριος ναύλος για τα μικρότερα σαλιγκάρια.

Ενώ ο Πέιν βρισκόταν στη Φλόριντα και παρακολουθούσε τα αρπακτικά από κοντά, ο σύμβουλός του Σμιθ σκεφτόταν συνέχεια αυτά τα πράσινα δέντρα και τους ρόλους των αρπακτικών στη φύση. Ο Smith ενδιαφερόταν έντονα όχι μόνο για τη δομή των κοινοτήτων, αλλά και για τις διαδικασίες που τις διαμόρφωσαν. Έφαγε συχνά μεσημεριανό γεύμα σε τσάντα με δύο συναδέλφους του, τον Nelson Hairston Sr. και τον Lawrence Slobodkin, κατά τη διάρκεια των οποίων είχαν φιλικά επιχειρήματα σχετικά με σημαντικές ιδέες στην οικολογία. Και οι τρεις επιστήμονες ενδιαφέρθηκαν για τις διαδικασίες που ελέγχουν τους πληθυσμούς των ζώων και συζήτησαν τις εξηγήσεις που κυκλοφορούσαν εκείνη την εποχή. Μια σημαντική σχολή σκέψης ήταν ότι το μέγεθος του πληθυσμού ελεγχόταν από φυσικές συνθήκες όπως ο καιρός. Ο Smith, ο Hairston και ο Slobodkin (στο εξής θα αποκαλούνται "HSS") αμφέβαλλαν για αυτήν την ιδέα επειδή, αν ήταν αλήθεια, σήμαινε ότι τα μεγέθη του πληθυσμού κυμαίνονταν τυχαία ανάλογα με τον καιρό. Αντίθετα, το τρίο ήταν πεπεισμένο ότι οι βιολογικές διεργασίες πρέπει να ελέγχουν την αφθονία των ειδών στη φύση, τουλάχιστον σε κάποιο βαθμό.

Το HSS απεικόνισε την τροφική αλυσίδα ως υποδιαιρούμενη σε διαφορετικά επίπεδα ανάλογα με το φαγητό που κατανάλωνε το καθένα (γνωστά ως τροφικά επίπεδα). Στο κάτω μέρος ήταν οι αποικοδομητές που αποικοδομούν τα οργανικά υπολείμματα. Πάνω τους ήταν οι παραγωγοί, τα φυτά που βασίζονταν στο φως του ήλιου, τη βροχή και τα θρεπτικά συστατικά του εδάφους. Το επόμενο επίπεδο ήταν οι καταναλωτές, τα φυτοφάγα που έτρωγαν φυτά. και από πάνω τους τα αρπακτικά που έφαγαν τα φυτοφάγα.

Η οικολογική κοινότητα γενικά αποδέχτηκε ότι κάθε επίπεδο περιόριζε το επόμενο υψηλότερο επίπεδο. Δηλαδή, οι πληθυσμοί ρυθμίστηκαν θετικά από «κάτω προς τα πάνω». Αλλά ο Smith και οι μεσημεριανοί φίλοι του αναλογίστηκαν την παρατήρηση που φαινόταν αντίθετη με αυτήν την άποψη:Ο επίγειος κόσμος είναι πράσινος. Γνώριζαν ότι τα φυτοφάγα γενικά δεν καταναλώνουν πλήρως όλη τη διαθέσιμη βλάστηση. Πράγματι, τα περισσότερα φύλλα των φυτών δείχνουν μόνο σημάδια μερικής κατανάλωσης. Για το HSS, αυτό σήμαινε ότι τα φυτοφάγα δεν περιορίζονταν σε τρόφιμα και ότι κάτι άλλο περιόριζε τους πληθυσμούς των φυτοφάγων. Ότι κάτι, πίστευαν, ήταν αρπακτικά, που ρυθμίζουν αρνητικά τους πληθυσμούς φυτοφάγων από «πάνω προς τα κάτω» στην τροφική αλυσίδα. Ενώ οι σχέσεις αρπακτικών-θηραμάτων είχαν μελετηθεί από καιρό από οικολόγους, γενικά θεωρήθηκε ότι η διαθεσιμότητα των θηραμάτων ρύθμιζε τον αριθμό των αρπακτικών και όχι το αντίστροφο. Η πρόταση ότι τα αρπακτικά στο σύνολό τους ενεργούσαν για να ρυθμίσουν τους πληθυσμούς των θηραμάτων ήταν μια ριζική ανατροπή.

Για να ενισχύσει την υπόθεσή τους, το HSS σημείωσε περιπτώσεις όπου πληθυσμοί φυτοφάγων είχαν εκραγεί μετά την απομάκρυνση των αρπακτικών, όπως ο πληθυσμός των ελαφιών Kaibab στη Βόρεια Αριζόνα που αυξήθηκε μετά τον αποδεκατισμό των τοπικών πληθυσμών λύκων και κογιότ. Συγκέντρωσαν τις παρατηρήσεις και τα επιχειρήματά τους σε μια εργασία με τίτλο «Δομή της Κοινότητας, Έλεγχος Πληθυσμού και Ανταγωνισμός» και την υπέβαλαν στο περιοδικό Ecology τον Μάιο του 1959.

Απορρίφθηκε. Το άρθρο δεν είδε το φως της δημοσιότητας μέχρι το τεύχος τέλους έτους του American Naturalist το 1960.

Η πρόταση ότι τα αρπακτικά ρυθμίζουν τους πληθυσμούς των φυτοφάγων είναι πλέον ευρέως γνωστή ως «υπόθεση HSS» ή «Υπόθεση του Πράσινου Κόσμου». Ενώ το HSS δήλωσε, «Η λογική που χρησιμοποιείται δεν διαψεύδεται εύκολα», οι ιδέες τους, όπως και οι περισσότερες που αμφισβητούν το status quo, προκάλεσαν πολλές επικρίσεις. Μια θεμιτή κριτική ήταν ότι οι ισχυρισμοί τους χρειάζονταν έλεγχο και περισσότερα στοιχεία. Και αυτό ήταν ακριβώς αυτό που ο πρώην μαθητής του Smith ξεκίνησε να κάνει στον κόλπο Mukkaw το 1963.

Kick It and See

Η υπόθεση HSS ήταν ουσιαστικά μια περιγραφή του φυσικού κόσμου βασισμένη στην παρατήρηση. Πράγματι, σχεδόν όλη η οικολογία μέχρι τη δεκαετία του 1960 βασιζόταν στην παρατήρηση. Ο περιορισμός μιας τέτοιας βιολογίας παρατήρησης ήταν ότι άφησε τον εαυτό της ανοιχτό σε εναλλακτικές εξηγήσεις και υποθέσεις. Ο Πέιν συνειδητοποίησε ότι αν ήθελε να καταλάβει πώς λειτουργούσε η φύση -τους κανόνες που ρύθμιζε τους πληθυσμούς των ζώων- θα έπρεπε να βρει καταστάσεις όπου θα μπορούσε να επέμβει και να τους παραβεί. Στη συγκεκριμένη περίπτωση των ρόλων των αρπακτικών, χρειαζόταν ένα σκηνικό όπου θα μπορούσε να απομακρύνει τα αρπακτικά και να δει τι συνέβη - αυτό που αργότερα θα περιγραφόταν ως «κλώτσησε το και δες» την οικολογία. Ως εκ τούτου, ο αστερίας-εκσφενδόνιση.

Δύο φορές το μήνα κάθε άνοιξη και καλοκαίρι, και μία φορά το μήνα το χειμώνα, ο Πέιν επέστρεφε συνέχεια στο Mukkaw για να επαναλάβει το τελετουργικό του με τη ρίψη αστεριών. Σε ένα βράχο μήκους 25 ποδιών και ύψους 6 ποδιών, αφαίρεσε όλους τους αστερίες. Σε ένα παρακείμενο τμήμα, άφησε τη φύση να ακολουθήσει την πορεία της. Σε κάθε οικόπεδο, μέτρησε τον αριθμό και υπολόγισε την πυκνότητα των κατοίκων, παρακολουθώντας συνολικά 15 είδη.

Για να κατανοήσει τη δομή του τροφικού ιστού Mukkaw, ο Paine έδωσε μεγάλη προσοχή στο τι έτρωγαν τα αρπακτικά. Ο αστερίας έχει το προσεγμένο κόλπο να αναστρέψει το στομάχι του για να καταναλώσει θήραμα. Για να δει τι γλέντιζαν, ο Πέιν γύρισε πάνω από 1.000 αστερίες και εξέτασε τα ζώα που κρατούσαν στο στομάχι τους. Ανακάλυψε ότι ο αστερίας ήταν ένας ευκαιριακός καλοφαγάς που έτρωγε βαρέλια, χιτώνες, πεταλούδες, σαλιγκάρια και μύδια. Ενώ τα μικρά βαρέλια ήταν το πιο πολυάριθμο θήραμα - ο αστερίας ήταν σε θέση να σκουλάρει δεκάδες μικρά καρκινοειδή τη φορά - δεν ήταν η κύρια πηγή θερμίδων του. Τα μύδια και οι χιτώνες ήταν οι πιο σημαντικοί συνεισφέροντες στη διατροφή των αστεριών.

Τον Σεπτέμβριο, μόλις τρεις μήνες αφότου άρχισε να απομακρύνει τον αστερία, ο Πέιν μπορούσε ήδη να δει ότι η κοινότητα άλλαζε. Τα βελανίδια είχαν απλωθεί για να καταλάβουν το 60 με 80 τοις εκατό του διαθέσιμου χώρου. Αλλά μέχρι τον Ιούνιο του 1964, ένα χρόνο μετά το πείραμα, οι βελανιδιές με τη σειρά τους στριμώχνονταν από μικρά, αλλά ταχέως αναπτυσσόμενα βαρέλια και μύδια χήνας. Επιπλέον, τέσσερα είδη φυκιών είχαν σε μεγάλο βαθμό εξαφανιστεί και τα δύο είδη πεταλούδας και δύο είδη χιτώνα είχαν εγκαταλείψει το οικόπεδο. Αν και δεν θηράχτηκαν από τους αστερίες, οι πληθυσμοί της ανεμώνης και των σφουγγαριών είχαν επίσης μειωθεί. Ωστόσο, ο πληθυσμός ενός μικρού αρπακτικού σαλιγκαριού, Thais emarginata , αυξήθηκε 10- έως 20 φορές.

Συνολικά, η απομάκρυνση του αρπακτικού αστερία είχε γρήγορα μειώσει την ποικιλομορφία της παλίρροιας κοινότητας από τα αρχικά 15 είδη σε οκτώ.

Τα αποτελέσματα αυτού του απλού πειράματος ήταν εκπληκτικά. Έδειξαν ότι ένας θηρευτής μπορούσε να ελέγξει τη σύνθεση των ειδών σε μια κοινότητα μέσω της λείας του— επηρεάζοντας τόσο τα ζώα που έτρωγε όσο και τα ζώα και τα φυτά που δεν έτρωγε.

Καθώς ο Πέιν συνέχισε το πείραμα τα επόμενα πέντε χρόνια, η σειρά των μυδιών προχώρησε στην επιφάνεια του βράχου κατά μέσο όρο σχεδόν 3 πόδια προς το σημείο της παλίρροιας, μονοπωλώντας το μεγαλύτερο μέρος του διαθέσιμου χώρου και απωθώντας όλα τα άλλα είδη εντελώς έξω. Ο Πέιν συνειδητοποίησε ότι οι αστερίες ασκούσαν τα δυνατά τους αποτελέσματα κυρίως κρατώντας τα μύδια υπό έλεγχο. Για τα ζώα και τα φύκια της παλίρροιας ζώνης, ο σημαντικός πόρος ήταν η ακίνητη περιουσία - ο χώρος στους βράχους. Τα μύδια ήταν πολύ δυνατοί ανταγωνιστές για αυτόν τον χώρο, και χωρίς τον αστερία, ανέλαβαν και ανάγκασαν άλλα είδη να φύγουν. Το αρπακτικό σταθεροποίησε την κοινότητα ρυθμίζοντας αρνητικά τον πληθυσμό του ανταγωνιστικά κυρίαρχου είδους.

Το πέταγμα των αστεριών του Πέιν ήταν ισχυρή επιβεβαίωση της υπόθεσης του HSS ότι τα αρπακτικά άσκησαν τον έλεγχο από την κορυφή προς τα κάτω. Αλλά αυτό ήταν μόνο ένα πείραμα με ένα αρπακτικό σε ένα σημείο στην ακτή του Ειρηνικού. Εάν ο Paine επρόκειτο να σχεδιάσει κάποιες γενικότητες, ήταν σημαντικό να δοκιμάσετε άλλες τοποθεσίες και άλλα αρπακτικά. Τα δραματικά αποτελέσματα των πειραμάτων στον κόλπο Mukkaw ενέπνευσαν ένα σωρό πειραμάτων.

Ο Πέιν ανακάλυψε το ακατοίκητο νησί Τατούς όταν ήταν έξω σε ένα ταξίδι για ψάρεμα σολομού. Σε αυτό το μικρό, χτυπημένο από καταιγίδες νησί, αρκετά μίλια πάνω από την ακτή από τον κόλπο Mukkaw και περίπου μισό μίλι από την ακτή, ο Πέιν βρήκε πολλά από τα ίδια είδη προσκολλημένα στους βράχους, συμπεριλαμβανομένου του μεγάλου Pisaster αστερίας. Με την άδεια της φυλής Makah, ο Paine άρχισε να τους πετάει πίσω στο νερό. Μέσα σε λίγους μήνες, τα μύδια άρχισαν να εξαπλώνονται στους βράχους χωρίς θηρευτές.

Ενώ βρισκόταν σε σαββατοκύριακο στη Νέα Ζηλανδία, ο Πέιν ερεύνησε μια άλλη παλίρροια κοινότητα στο βόρειο άκρο μιας παραλίας κοντά στο Ώκλαντ. Εκεί, βρήκε ένα διαφορετικό είδος αστερίας που ονομάζεται Stichaster australis που κυνηγούσε το μύδι με πράσινα χείλη της Νέας Ζηλανδίας, το ίδιο είδος που εξήχθη σε εστιατόρια σε όλο τον κόσμο. Σε μια περίοδο εννέα μηνών ο Πέιν αφαίρεσε όλους τους αστερίες από μια περιοχή 400 τετραγωνικών ποδιών και άφησε μόνο ένα παρακείμενο, παρόμοιο οικόπεδο. Είδε άμεσα και εντυπωσιακά αποτελέσματα. Η περιοχή που υποβλήθηκε σε θεραπεία άρχισε γρήγορα να κυριαρχείται από τα μύδια. Έξι από τα 20 άλλα είδη που υπήρχαν αρχικά εξαφανίστηκαν σε μόλις οκτώ μήνες. μέσα σε 15 μήνες το μεγαλύτερο μέρος του χώρου καταλήφθηκε αποκλειστικά από τα μύδια.

Για τον Πέιν, οι αρπακτικοί αστερίες της Ουάσιγκτον και της Νέας Ζηλανδίας ήταν «κλειδί λίθοι» στη δομή των παλιρροϊκών κοινοτήτων. Ακριβώς όπως η πέτρα στην κορυφή μιας καμάρας είναι απαραίτητη για τη σταθερότητα της δομής, αυτά τα αρπακτικά της κορυφής στην κορυφή του τροφικού ιστού είναι κρίσιμα για την ποικιλομορφία ενός οικοσυστήματος. Απομακρύνετε τους, και όπως έδειξε ο Paine, η κοινότητα καταρρέει. Τα πρωτοποριακά πειράματα του Paine και η επινόηση του όρου "keystone species" ώθησαν την αναζήτηση βασικών λίθων σε άλλες κοινότητες και θα τον οδηγούσαν σε μια άλλη θεμελιώδη ιδέα.

Οι θαλάσσιες ενυδρίδες και το φαινόμενο του καταρράκτη

Τα πειράματα «kick-it-and-see» του Paine δεν περιορίστηκαν στη χειραγώγηση των αρπακτικών. Τον ενδιέφερε να κατανοήσει τους κανόνες που καθόριζαν τη συνολική σύνθεση των παράκτιων κοινοτήτων. Άλλοι εξέχοντες κάτοικοι της παλίρροιας και των ρηχών νερών περιελάμβαναν μια μεγάλη ποικιλία από φύκια, όπως τα μεγάλα καφέ φύκια που είναι γνωστά ως φύκια. Αλλά η διανομή τους ήταν αποσπασματική — άφθονη και διαφορετική σε ορισμένα μέρη, σχεδόν απούσα από άλλα. Ένας από τους πιο διαδεδομένους βοσκούς στα φύκια ήταν οι αχινοί. Ο Paine και ο ζωολόγος Robert Vadas ξεκίνησαν να ανακαλύψουν τι επίδραση είχαν οι αχινοί στην ποικιλία των φυκιών.

Για να το κάνουν αυτό, αφαίρεσαν όλους τους αχινούς με το χέρι από μερικές πισίνες γύρω από τον κόλπο Mukkaw ή τους απαγόρευσαν από περιοχές εντός του Friday Harbor (κοντά στο Bellingham) με συρμάτινα κλουβιά. Άφησαν τις κοντινές πισίνες και τις περιοχές ανέγγιχτες ως έλεγχοι για το πείραμά τους. Παρατήρησαν δραματικά αποτελέσματα της απομάκρυνσης των αχινών—αρκετά είδη φυκιών ξεσπούσαν στις ζώνες χωρίς αχινούς. Οι περιοχές ελέγχου με μεγάλους πληθυσμούς αχινών περιείχαν πολύ λίγα φύκια.

Ο Πέιν παρατήρησε επίσης ότι τέτοια «άγονα» που κυριαρχούσαν οι αχινοί ήταν συνηθισμένα σε πισίνες γύρω από το νησί Tatoosh. Με την πρώτη ματιά, οι αχινοί φαινόταν να παραβιάζουν έναν βασικό ισχυρισμό της υπόθεσης HSS ότι τα φυτοφάγα ζώα έτειναν να μην καταναλώνουν όλη τη διαθέσιμη βλάστηση. Αλλά η εξήγηση για το γιατί υπήρχαν τέτοια άγονα στα νερά του Ειρηνικού θα γινόταν σύντομα σαφής—με την εκπληκτική ανακάλυψη ενός άλλου βασικού είδους, ενός ζώου που είχε απομακρυνθεί από την ακτή της Ουάσιγκτον πολύ πριν ο Πέιν αρχίσει να ασχολείται με τη φύση.

Οι θαλάσσιες ενυδρίδες κάποτε κυμαίνονταν από τη Βόρεια Ιαπωνία έως τα Αλεούτια νησιά και κατά μήκος της ακτής του Ειρηνικού της Βόρειας Αμερικής μέχρι νότια ως τη Μπάχα Καλιφόρνια. Πολυπόθητα για την πολυτελή γούνα τους, το πιο πυκνό από όλα τα θαλάσσια θηλαστικά, τα ζώα κυνηγήθηκαν τόσο εντατικά τον 18ο και 19ο αιώνα που στις αρχές του 1900 είχαν απομείνει μόνο 2.000 περίπου ζώα από έναν αρχικό πληθυσμό 150.000 έως 300.000 και τα είδη είχαν εξαφανιστεί. από το μεγαλύτερο μέρος της εμβέλειάς της, συμπεριλαμβανομένης της πολιτείας Ουάσιγκτον. Το είδος κέρδισε προστατευόμενο καθεστώς το 1911 σύμφωνα με τους όρους μιας διεθνούς συνθήκης. Μετά την σχεδόν εξόντωσή τους από τα Αλεούτια νησιά, τα ζώα ανέκαμψαν σε υψηλές πυκνότητες σε ορισμένες τοποθεσίες.

Το 1971, προσφέρθηκε στον Πέιν ένα ταξίδι σε ένα από αυτά τα μέρη - το νησί Amchitka, ένα άδενδρο νησί στο δυτικό τμήμα των Αλεούτιων. Μερικοί μαθητές εργάζονταν στις κοινότητες φυκιών εκεί και ο Πέιν πέταξε έξω για να δώσει τη συμβουλή του. Ο Jim Estes, ένας φοιτητής από το Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, συναντήθηκε με τον Paine και περιέγραψε τα ερευνητικά του σχέδια. Ο Έστες ενδιαφερόταν για τις θαλάσσιες ενυδρίδες, αλλά δεν ήταν οικολόγος. Εξήγησε στον Πέιν ότι σκεφτόταν να μελετήσει πώς τα δάση με φύκια υποστήριζαν τους ακμάζοντες πληθυσμούς θαλάσσιας ενυδρίδας.

«Τζιμ, κάνεις λάθος ερωτήσεις», του είπε η Πέιν. "Θέλετε να δείτε τα τρία τροφικά επίπεδα:οι θαλάσσιες ενυδρίδες τρώνε αχινούς, οι αχινοί τρώνε φύκια."

Ο Έστες είχε δει μόνο την Άμτσιτκα με τις άφθονες ενυδρίδες και τα δάση με φύκια. Γρήγορα συνειδητοποίησε την ευκαιρία να συγκρίνει νησιά με και χωρίς ενυδρίδες. Με τον συμφοιτητή John Palmisano, ο Estes ταξίδεψε στο νησί Shemya, ένα κομμάτι βράχου 6 τετραγωνικών μιλίων 200 μίλια δυτικά χωρίς ενυδρίδες. Ο πρώτος τους υπαινιγμός ότι κάτι ήταν πολύ διαφορετικό ήταν όταν κατέβηκαν στην παραλία και είδαν τεράστια πτώματα αχινών. Αλλά το πραγματικό σοκ ήρθε όταν ο Έστες έπεσε κάτω από το νερό για πρώτη φορά.

«Η πιο δραματική στιγμή μάθησης στη ζωή μου συνέβη σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο. Και αυτό έβαζε το κεφάλι μου στο νερό στο νησί Shemya», θυμάται ο Estes. «Ήμασταν σε αυτή τη θάλασσα των αχινών. Και δεν υπήρχε πουθενά φύκια. Κάθε ανόητος θα μπορούσε να καταλάβει τι συνέβαινε.»

Ο Έστες και ο Παλμισάνο είδαν άλλες εντυπωσιακές διαφορές μεταξύ των δύο κοινοτήτων γύρω από κάθε νησί:Πολύχρωμα ψάρια βράχου, φώκιες και φαλακρός αετοί ήταν άφθονοι γύρω από την Amchitka, αλλά όχι γύρω από τη Shemya χωρίς βίδρα. Πρότειναν ότι οι τεράστιες διαφορές μεταξύ των δύο κοινοτήτων οφείλονταν στις θαλάσσιες ενυδρίδες, οι οποίες ήταν αδηφάγα αρπακτικά των αχινών. Πρότειναν ότι οι θαλάσσιες ενυδρίδες ήταν βασικά είδη των οποίων η αρνητική ρύθμιση των πληθυσμών των αχινών ήταν το κλειδί για τη δομή και την ποικιλομορφία της παράκτιας θαλάσσιας κοινότητας.

Οι παρατηρήσεις των Estes και Palmisano πρότειναν ότι η επανεισαγωγή των θαλάσσιων ενυδρίδων θα οδηγούσε σε μια δραματική αναδιάρθρωση των παράκτιων οικοσυστημάτων. Λίγο μετά την πρωτοποριακή τους μελέτη, προέκυψε η ευκαιρία να δοκιμαστεί ο αντίκτυπος των θαλάσσιων ενυδρίδων καθώς εξαπλώνονταν κατά μήκος της ακτής της Αλάσκας και αποίκησαν εκ νέου διάφορες κοινότητες. Το 1975, οι θαλάσσιες ενυδρίδες απουσίαζαν από το Deer Harbor στη νοτιοανατολική Αλάσκα. Αλλά μέχρι το 1978, τα ζώα είχαν εγκατασταθεί εκεί, οι αχινοί ήταν μικροί και σπάνιοι, ο βυθός ήταν γεμάτος με τα υπολείμματά τους και είχαν ξεφυτρώσει ψηλές, πυκνές συστάδες φυκιών.

Η παρουσία των ενυδρίδων είχε καταστείλει τους αχινούς, οι οποίοι κατά τα άλλα είχαν καταστείλει την ανάπτυξη των φυκιών. Αυτό το είδος διπλής αρνητικής λογικής είναι ευρέως διαδεδομένο στη βιολογία. Σε αυτή την περίπτωση, οι ενυδρίδες «επάγουν» την ανάπτυξη φυκιών καταστέλλοντας τον πληθυσμό των αχινών. Η ανακάλυψη της ρύθμισης του δάσους φυκιών από τη θήρευση της θαλάσσιας ενυδρίδας σε φυτοφάγους αχινούς ήταν πολύ ισχυρή υποστήριξη για την υπόθεση HSS και για την έννοια του βασικού είδους του Paine.

Από οικολογική άποψη, οι αρπακτικές θαλάσσιες ενυδρίδες έχουν μια καταρράκτη επίδραση σε πολλαπλά τροφικά επίπεδα κάτω από αυτές. Ο Πέιν επινόησε έναν νέο όρο για να περιγράψει τις ισχυρές, από πάνω προς τα κάτω αποτελέσματα που ο ίδιος και άλλοι είχαν ανακαλύψει κατά την απομάκρυνση ή την επανεισαγωγή ειδών:Τα ονόμασε τροφικούς καταρράκτες.

Η ανακάλυψη των τροφικών καταρρακτών ήταν συναρπαστική. Οι πολλές έμμεσες επιπτώσεις που προκλήθηκαν από την παρουσία ή την απουσία αρπακτικών (αστερίας, θαλάσσιες ενυδρίδες) ήταν εκπληκτικές γιατί αποκάλυψαν προηγουμένως ανύποπτες, όντως αδιανόητες, συνδέσεις μεταξύ πλασμάτων. Ποιος θα πίστευε ότι η ανάπτυξη των δασών φυκιών εξαρτιόταν από την παρουσία θαλάσσιων ενυδρίδων; Αυτά τα δραματικά και απροσδόκητα αποτελέσματα αύξησαν την πιθανότητα ότι, εν αγνοία των βιολόγων, τροφικοί καταρράκτες λειτουργούσαν αλλού για να διαμορφώσουν άλλα είδη κοινοτήτων. Και αν ήταν, τότε τα βασικά είδη και οι τροφικοί καταρράκτες μπορεί να είναι γενικά χαρακτηριστικά των οικοσυστημάτων—κανόνες ρύθμισης που διέπουν τους αριθμούς και τα είδη των πλασμάτων σε μια κοινότητα.

Πράγματι, τροφικοί καταρράκτες έχουν ανακαλυφθεί σε όλη την υδρόγειο, όπου βασικά αρπακτικά όπως λύκοι, λιοντάρια, καρχαρίες, κογιότ, αστερίες και αράχνες σχηματίζουν κοινότητες. Και λόγω των ρυθμιστικών τους ρόλων που εκτιμήθηκαν πρόσφατα, η απώλεια μεγάλων αρπακτικών τον περασμένο αιώνα έχει ανησυχήσει βαθιά τον Estes, τον Paine και πολλούς άλλους βιολόγους.

Σήμερα, φυσικά, ένα αρπακτικό έχει μεγαλύτερη επιρροή από οποιοδήποτε άλλο. Δημιουργήσαμε την εξαιρετική οικολογική κατάσταση όπου είμαστε ο κορυφαίος θηρευτής και ο κορυφαίος καταναλωτής σε όλους τους βιότοπους. «Οι άνθρωποι είναι σίγουρα οι κυρίαρχοι βασικοί λίθοι και θα είναι οι τελικοί χαμένοι εάν δεν γίνουν κατανοητοί οι κανόνες και τα παγκόσμια οικοσυστήματα συνεχίσουν να επιδεινώνονται», λέει ο Paine. Το μόνο είδος που μπορεί να μας ρυθμίσει είμαστε εμείς.

Ο Sean B. Carroll είναι καθηγητής μοριακής βιολογίας και γενετικής στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin-Madison και Αντιπρόεδρος για την Εκπαίδευση των Επιστημών στο Ιατρικό Ινστιτούτο Howard Hughes. Το νέο του βιβλίο είναι Οι κανόνες Serengeti:Η αναζήτηση για να ανακαλύψετε πώς λειτουργεί η ζωή και γιατί έχει σημασία.

Απόσπασμα από The Serengeti Rules:The Quest to Discover How Life Works and Why It Matters του Sean B. Carroll. Πνευματικά δικαιώματα @ 2016 από Princeton University Press. Ανατύπωση κατόπιν άδειας.

Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στο τεύχος "Προσαρμογή" τον Μάρτιο του 2016.