Οι νόμοι της κρυφής δύναμης των οικοσυστημάτων

Δείτε πώς μπορείτε να προκαλέσετε σάλο:Ζητήστε από ένα σωρό φυσιοδίφες να απλοποιήσουν τον κόσμο. Συνήθως σκεφτόμαστε με όρους ενός πλέγματος περίπλοκων αλληλεπιδράσεων μεταξύ ζώων, φυτών, μικροβίων, γης, ανέμου και φωτιάς – αυτό που ο Δαρβίνος ονόμασε «η μπερδεμένη τράπεζα». Η μείωση της πολυπλοκότητας της τράπεζας σε ευρείες γενικεύσεις μπορεί να φαίνεται ανέντιμη.

Έτσι, όταν ο Τόνι Άιβς, θεωρητικός οικολόγος στο Πανεπιστήμιο του Ουισκόνσιν, παρότρυνε τους συναδέλφους του στη συνάντηση της Οικολογικής Εταιρείας της Αμερικής το 2013 καλώντας σε ψηφοφορία για το αν θα έπρεπε να αναζητήσουν γενικούς νόμους, μάλλον δεν ήταν περίεργο ότι δύο -τα τρίτα της αίθουσας ψήφισαν όχι.

Παρά τον σκεπτικισμό, τα είδη των γενικών νόμων που γίνονται δυνατά με την απλοποίηση έχουν αξιοσημείωτες προγνωστικές δυνάμεις. Θα μπορούσαν να μας επιτρέψουν να υπολογίσουμε πόσα είδη υπάρχουν σε οικοσυστήματα που είναι πολύ μεγάλα για να δειγματιστούν διεξοδικά ή πόσα θα χαθούν μετά την καταστροφή του οικοτόπου.

Ίσως επειδή ξεκίνησα στη βιολογία μετά την εκπαίδευση στη φυσική, είμαι οικολόγος που βρίσκει την ομορφιά σε αυτούς τους γενικούς νόμους. Στη φυσική, το τελευταίο πράγμα για το οποίο θα ανησυχείτε είναι οι διαφορές μεταξύ ενός μορίου ενός αερίου και ενός άλλου. Κανείς δεν έχει ένα προσωπικό αγαπημένο ηλεκτρόνιο. Ο νόμος του ιδανικού αερίου που σχετίζεται με την πίεση, τον όγκο και τη θερμοκρασία ισχύει εξίσου καλά για το οξυγόνο και το άζωτο. Οι μεταβάσεις φάσης μεταξύ υγρών και αερίων συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο όπως η μαγνήτιση ορισμένων μετάλλων.

Γιατί δεν πρέπει ένα οικοσύστημα να είναι εξίσου όμορφα τέλειο με ένα ιδανικό αέριο, και γιατί οι οικολόγοι δεν μπορούν να έχουν τόση προγνωστική δύναμη όσο ένας φυσικός; Οι απαντήσεις σε αυτές τις ερωτήσεις μπορεί απλώς να είναι «είναι» και «μπορούν». Αλλά μόνο όταν το δούμε από μια συγκεκριμένη οπτική γωνία.

Στη δεκαετία του 1980, δύο οικολόγοι, ο Jim Brown στο Πανεπιστήμιο του Νέου Μεξικού και ο Brian Maurer στο Πανεπιστήμιο Brigham Young, επινόησαν τον όρο μακροοικολογία, ο οποίος έδωσε ένα όνομα και ένα πνευματικό σπίτι σε ερευνητές που αναζητούσαν αναδυόμενα μοτίβα στη φύση. Απογοητευμένοι από τη μικρή κλίμακα πολλών οικολογικών μελετών, οι μακροοικολόγοι έψαχναν για μοτίβα και θεωρίες που θα μπορούσαν να τους επιτρέψουν να περιγράψουν τη φύση ευρέως σε χρόνο και χώρο.

Ο Μπράουν και ο Μάουρερ είχαν επηρεαστεί σε μεγάλο βαθμό από κανονικότητες σε πολλά οικολογικά φαινόμενα. Ένα από αυτά, που ονομάζεται καμπύλη είδους-περιοχής, ανακαλύφθηκε τον 19ο αιώνα και επισημοποιήθηκε το 1921. Αυτή η καμπύλη προέκυψε όταν οι φυσιοδίφες μέτρησαν τον αριθμό των ειδών (φυτών, εντόμων, θηλαστικών κ.λπ.) που βρέθηκαν σε οικόπεδα έξω σε αυλές, σαβάνες και δάση. Ανακάλυψαν ότι ο αριθμός των ειδών αυξανόταν με την έκταση του οικοπέδου, όπως ήταν αναμενόμενο. Αλλά καθώς το μέγεθος του οικοπέδου συνέχιζε να αυξάνεται, ο ρυθμός αύξησης του αριθμού των ειδών άρχισε να αυξάνεται. Ακόμη πιο αξιοσημείωτο είναι ότι η ίδια βασική καμπύλη είδους-περιοχής βρέθηκε ανεξάρτητα από το είδος ή το ενδιαίτημα. Για να το θέσουμε μαθηματικά, η καμπύλη ακολουθούσε έναν νόμο ισχύος, στον οποίο η αλλαγή στον αριθμό των ειδών αυξήθηκε αναλογικά με την τετραγωνική ρίζα της τετραγωνικής ρίζας της περιοχής.

Οι νόμοι ισχύος είναι κοινοί στην επιστήμη και είναι το καθοριστικό χαρακτηριστικό της καθολικότητας στη φυσική. Περιγράφουν τη δύναμη των μαγνητών καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, τη συχνότητα των σεισμών σε σχέση με το μέγεθος και την παραγωγικότητα της πόλης ως συνάρτηση του πληθυσμού. Για πολλούς οικολόγους, η καμπύλη είδους-περιοχής χτυπά ένα νεύρο. Υποδηλώνει ότι σε αρκετά μεγάλη κλίμακα, η συγκεκριμένη λεπτομέρεια ενός οικοσυστήματος - η «μπλεγμένη τράπεζα» που βρίσκεται τόσο κοντά και αγαπητή στην καρδιά του οικολόγου - απλά δεν έχει σημασία. Οι ιδιοσυγκρασίες ξεπλένονται και τα οικολογικά συστήματα αρχίζουν να μοιάζουν εκπληκτικά με ένα ευρύ φάσμα διαφορετικών συστημάτων σε άλλες επιστήμες.

Η καθολικότητα της καμπύλης είδους-περιοχής έγινε πολύ σαφής στα μοντέλα που κατασκεύασαν οι οικολόγοι για να την κατανοήσουν. Το 2001, ένας οικολόγος τότε στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, ο Steve Hubbell, ανέπτυξε ένα μοντέλο που βασίζεται στη ριζική υπόθεση ότι τυχόν επιλεκτικές διαφορές (διαφορές που δίνουν ένα εξελικτικό πλεονέκτημα ή μειονέκτημα) μεταξύ ατόμων στο ίδιο τμήμα μιας τροφικής αλυσίδας είναι άσχετες. Αυτό σημαίνει ότι τα ατομικά αποτελέσματα είναι ένα είδος οικολογικής ρουλέτας. Ορισμένα είδη είναι τυχερά, καταλήγοντας με ευρεία, άφθονη κατανομή στο διάστημα, ενώ άλλα είδη γίνονται σχετικά σπάνια. Μέσω ενός συνδυασμού αναλυτικών εξισώσεων και προσομοιώσεων υπολογιστή, το μοντέλο του, που ονομάζεται ενοποιημένη ουδέτερη θεωρία της βιοποικιλότητας, προέβλεψε μια καμπύλη είδους-περιοχής που φαινόταν εκπληκτικά ρεαλιστική. Η επιτυχία του βασίστηκε σε αυτήν την βάναυσα απλοποιημένη εκδοχή των πραγματικών οικοσυστημάτων, με φυτά, ζώα και οργανισμούς να αντικατασταθούν από σχεδόν πανομοιότυπα στατιστικά σύμβολα κράτησης θέσης.

Ένας άλλος οικολόγος με εκπαίδευση στη φυσική, ο John Harte, αναρωτήθηκε αν η καμπύλη είδους-περιοχής μπορούσε να γίνει κατανοητή με ακόμη λιγότερο οικολογικό μηχανισμό από ό,τι υποτίθεται η ουδέτερη θεωρία. Ο Χάρτε ανέπτυξε τη θεωρία της μέγιστης εντροπίας της οικολογίας, βασισμένη σε ιδέες που λαμβάνονται από τη θερμοδυναμική και τη θεωρία της πληροφορίας. Η εντροπία είναι ένα μέτρο της αταξίας ενός συστήματος και χρησιμοποιείται στη θερμοδυναμική για τον υπολογισμό της πιο πιθανής διάταξης πανομοιότυπων μορίων αερίου σε σταθερό όγκο. Η περισσότερη αταξία συνήθως κερδίζει. Παίζοντας με τη χωρική κατανομή των ειδών κάτω από ορισμένους περιορισμούς, ο Harte χρησιμοποίησε τη θεωρία μέγιστης εντροπίας για να προβλέψει τον αριθμό των ειδών δέντρων σε ολόκληρη την οροσειρά Western Ghats στην Ινδία. Η εκτίμησή τους δημοσιεύτηκε στο Ecology Letters , έπεσε σε ένα αξιοσέβαστο 10 τοις εκατό περίπου 900 τύπων καταμετρημένων δέντρων. Ο Harte δεν εξέταζε τις λεπτομέρειες των μεμονωμένων δέντρων και την αναπαραγωγή τους ή τη διασπορά των σπόρων τους—η δουλειά του βασιζόταν καθαρά σε αρχές από τη σφαίρα της θεωρίας της πληροφορίας.

Αγνοώντας τις λεπτομέρειες για το πώς τα είδη ανταγωνίζονται και διαφέρουν μεταξύ τους, η μέγιστη εντροπία και η ουδέτερη θεωρία μεταμορφώνουν το ακατάστατο, πολύπλοκο κουβάρι ενός οικοσυστήματος στην εξιδανικευμένη τελειότητα ενός ιδανικού αερίου. Με αυτόν τον τρόπο, αφήνουν τους οικολόγους να αποκτήσουν μια φυσική ικανότητα να προβλέπουν και να εξηγούν. Αλλά και τα δύο μοντέλα είναι επίσης αμφιλεγόμενα. Αυτές οι λεπτομέρειες είναι ακριβώς αυτές που οι οικολόγοι μπορούν να αφιερώσουν μια ζωή ερευνώντας, και εδώ είναι δύο θεωρίες που υποδηλώνουν ότι δεν έχουν σημασία.

Τι θα γινόταν αν αυτές οι χωρικές προβλέψεις ήταν σωστές, αλλά για λάθος λόγους; Ίσως τα γενικά οικολογικά μοντέλα να χρειάζεται να περιλαμβάνουν πραγματικές οικολογικές λεπτομέρειες και μηχανισμούς, και τα μοντέλα που αγνοούν αυτές τις λεπτομέρειες αλλά εξακολουθούν να πετυχαίνουν είναι ατυχήματα, περιορισμένα μόνο σε χωρικά μοτίβα όπως η καμπύλη είδους-περιοχής. Ένας τρόπος για να το ανακαλύψουμε ήταν να προσπαθήσουμε να επεκτείνουμε αυτά τα μοντέλα σε μια άλλη διάσταση. Διάλεξα χρόνο.

Τι θα έκανε ένας οικολόγος για να υπολογίσει πόσα είδη δέντρων θα μπορούσαν να πεθάνουν σε 50 χρόνια; Τι γίνεται με πόσες γενεαλογίες υπήρχαν περίπου χιλιετίες πριν; Μια θεωρία παρόμοια με αυτές που μοντελοποιούν την καμπύλη είδους-περιοχής θα ήταν χρήσιμη, απλά εστιασμένη στον χρόνο, αντί στο χώρο. Έτσι, στρατολόγησα τον Tom Sharpton και τον Steve Kembel, συναδέλφους που είχαν συνεργαστεί στο παρελθόν μαζί μου, για να φτιάξω ένα.

Τα βακτήρια φαινόταν σαν το προφανές θέμα, εν μέρει επειδή είναι απίστευτα άφθονα και εν μέρει επειδή τα δεδομένα της αλληλουχίας DNA μας δίνουν ένα παράθυρο στην εξελικτική τους ιστορία. Το σχέδιό μας ήταν να μετρήσουμε αριθμούς ειδών, όπως ακριβώς έγινε στις καμπύλες ειδών-περιοχής. Αλλά αντί για περιοχή, θα χρησιμοποιούσαμε κάποιο μέτρο του χρόνου.

Κατασκευάσαμε αυτό το μέτρο συγκρίνοντας αλληλουχίες DNA μεταξύ των βακτηρίων μας και σχεδιάζοντας δέντρα της ζωής. Κάθε κλαδί ενός δέντρου αντιπροσώπευε μια νέα βακτηριακή γενεαλογία - κάποιο είδος διαφοροποίησης της ζωής βαθιά στο παρελθόν. Η μέση εξελικτική απόσταση (ή το μήκος κλαδιών) μεταξύ των ειδών στο δέντρο ποσοτικοποίησε τη συγγένειά τους με το χρόνο. Τα μικρόβια που δοκιμάσαμε προέρχονταν από περίπου 25 διαφορετικά ενδιαιτήματα, συμπεριλαμβανομένης της ρινικής κοιλότητας των ανθρώπων, των ανθρώπινων κοπράνων, της επιφάνειας των φύλλων των φυτών, του Ανταρκτικού Ωκεανού και του νερού από τη Μάγχη.

Όταν σχεδιάσαμε τη μέση εξελικτική απόσταση σε σχέση με τον αριθμό των ειδών, βρήκαμε τον νόμο ισχύος να κρύβεται σε μια άλλη διάσταση της οικολογίας:Η απόσταση αυξήθηκε γρήγορα στην αρχή και μετά άρχισε να επιβραδύνεται με τον ίδιο τρόπο όπως η καμπύλη είδους-περιοχής. Οι λόγοι αυτής της συμπεριφοράς δεν είναι σαφείς προς το παρόν. Μια πιθανότητα είναι ότι τόσο οι χωρικές όσο και οι χρονικές συμπεριφορές κλιμάκωσης επηρεάζονται από μια «ριπή», στην οποία οι περίοδοι στάσης σημειώνονται από γρήγορες περιόδους διαφοροποίησης. Στα βακτηριακά μας δέντρα διαπιστώσαμε ότι αυτές οι εκρηκτικές διαστολές έχουν μια κατανομή φράκταλ, που περιγράφεται επίσης από έναν νόμο ισχύος, και θα μπορούσαν να δείχνουν ακτινοβολίες ειδών τόσο στο χρόνο όσο και στο χώρο.

Οι νόμοι ισχύος που βλέπουμε για την εξελικτική απόσταση και τη διαφοροποίηση δείχνουν για άλλη μια φορά μια απλή, μηχανιστική και σχετικά απαλλαγμένη από λεπτομέρειες άποψη της οικολογίας στη μεγαλύτερη κλίμακα. Δεν είναι τόσο απλά όσο αυτό που έχει προταθεί για τα χωρικά μοτίβα. Κάνουν τουλάχιστον ένα βήμα πίσω στο φάσμα προς την ανάγκη πραγματικών οικολογικών και εξελικτικών μηχανισμών για να εξηγήσουν τα μακροοικολογικά πρότυπα.

Κάποτε ένας άλλος οικολόγος με ρώτησε, τι μαθαίνουμε ποτέ από την απολέπιση; Είναι μια δίκαιη ερώτηση. Υπάρχουν πολλοί οικολόγοι που δεν έχουν χρησιμοποιήσει ποτέ καμπύλη είδους-περιοχής. Για μένα, υπάρχει η πνευματική συγκίνηση και πρόκληση, και το στοιχείο της έκπληξης όταν κάποιος βρίσκει απροσδόκητες ομοιότητες σε διαφορετικά συστήματα. Υπάρχει επίσης η δύναμη των προβλέψεων που η κλιμάκωση καθιστά δυνατή. Εάν μπορούμε να αναπτύξουμε μια θεωρία που πραγματικά μας βοηθά να κατανοήσουμε τη μακροοικολογία, μπορεί να κάνουμε καλύτερες εκτιμήσεις για το πώς η σημερινή απώλεια της ποικιλότητας του Αμαζονίου θα αλλάξει τους τροπικούς σε 100 χρόνια. Ή πώς οι αλληλεπιδράσεις των βακτηρίων στο ανθρώπινο έντερο μπορεί να αλλάξουν το μέλλον του.

Υπάρχει και κάτι παραπάνω. Στην οικολογία θα υπάρχει πάντα μια τεράστια ετερογένεια, από έντομα μέχρι πουλιά, γρασίδι μέχρι κοκκινόξυλα. Μπορούμε και νοιαζόμαστε για τις διαφορές μεταξύ διαφορετικών οργανισμών και ειδών, και όχι μόνο για τα συγκεντρωτικά πρότυπα. Καθώς λοιπόν μαθαίνουμε για καθολικά και απλά μοτίβα κλιμάκωσης στην οικολογία, βρισκόμαστε αντιμέτωποι με μια ολοκαίνουργια πρόκληση:Πώς ενσωματώνουμε τις γενικότητες που μαθαίνουμε από την κλιμάκωση σε συγκεντρωτικά μοτίβα με τη φυσική ιστορία και τις λεπτές λεπτομέρειες μεταξύ διαφορετικών οργανισμών και συστημάτων;

Υπάρχει ένα χρήσιμο συμπλήρωμα στην ερώτηση του Ives στη συνάντηση της Οικολογικής Εταιρείας. Δεν είναι μόνο αν η οικολογία πρέπει να επιδιώκει γενικούς νόμους, αλλά πώς όσοι από εμάς κυνηγάμε αυτούς τους νόμους και όσοι από εμάς εστιάζουμε στα μπερδέματα που τους δημιουργούν, μπορούμε να συνεργαστούμε. Θα έχουμε πολλά να μάθουμε όταν καταλάβουμε αυτή τη σύνδεση.

Ο James O'Dwyer είναι θεωρητικός οικολόγος στο Τμήμα Βιολογίας Φυτών στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στο Urbana-Champaign.

Αναφορές

1. Fox, J. ESA Δευτέρα κριτική:Tony Ives rocks. Δυναμική Οικολογία dynamicecology.wordpress.com (2013).

2. Harte, J., Smith, A.B., &Storch, D. Η βιοποικιλότητα κλιμακώνεται από οικόπεδα σε βιομάζα με μια καθολική καμπύλη ειδών-περιοχής. Επιστολές Οικολογίας 12 , 789-797 (2009).

3. O'Dwyer, J.P., Kembel, S.W., &Sharpton, T.J. Οι ραχοκοκαλιές της εξελικτικής ιστορίας δοκιμάζουν τη θεωρία της βιοποικιλότητας για μικρόβια. Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών 112 , 8356-8361 (2015).

Η κύρια εικόνα είναι ευγενική προσφορά του Edhv, www.edhv.nl (Αϊντχόβεν, Ολλανδία).