Πώς η συμπεριφορά των μετώπων στα οικοσυστήματα επηρεάζει τις αλλαγές καθεστώτος
Τα οικοσυστήματα διαταράσσονται διαρκώς τόσο από φυσικές όσο και από ανθρωπογενείς διαταραχές, που κυμαίνονται από καταιγίδες και πυρκαγιές μέχρι βόσκηση και ξέφωτα. Εάν ένα οικοσύστημα έχει εναλλακτικές σταθερές καταστάσεις (υπό τις ίδιες εξωτερικές συνθήκες το σύστημα μπορεί να βρίσκεται σε περισσότερες από μία πιθανές καταστάσεις), τότε μια διαταραχή μπορεί να το ωθήσει από τη μια κατάσταση στην άλλη, οδηγώντας σε αλλαγή καθεστώτος.
Αυτό το φαινόμενο έχει παρατηρηθεί σε διάφορα οικοσυστήματα, όπως ο ευτροφισμός των λιμνών λόγω απορροής λιπασμάτων και η λεύκανση των κοραλλιογενών υφάλων. Στη συνέχεια, το σύστημα λέγεται ότι έχει υποστεί μια καταστροφική αλλαγή καθεστώτος όπου η ανάκαμψη είτε δεν είναι δυνατή είτε αρκετά δύσκολο να επιτευχθεί, ακόμη και όταν η αρχική διαταραχή είναι σχετικά ασθενής.
Αυτή η κλασική άποψη για τις αλλαγές καθεστώτος, ωστόσο, είναι συχνά υπερβολικά απλοϊκή. Σε πολλά οικοσυστήματα όπου οι χωρικές διεργασίες διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο, όπως οι σαβάνες και οι ξηρές περιοχές, οι αλλαγές καθεστώτος μπορούν να λάβουν άλλες μορφές λόγω της χωρικής δυναμικής.
Ένας λόγος για αυτό είναι ότι οι διαταραχές τυπικά εντοπίζονται χωρικά, έτσι ώστε ένας διαταραγμένος τομέας μπορεί να ωθηθεί στην εναλλακτική κατάσταση, ενώ το υπόλοιπο οικοσύστημα παραμένει άθικτο. Σε ένα τοπίο σαβάνας, αυτό ισοδυναμεί με πυρκαγιές μικρής κλίμακας που δημιουργούν μεμονωμένα κομμάτια λιβαδιών σε μια κατά τα άλλα δασώδη περιοχή. Αυτό θα οδηγήσει σε ένα σχηματισμό ενός μετώπου, μιας περιοχής στο χώρο στην οποία οι ιδιότητες του οικοσυστήματος αλλάζουν συνεχώς καθώς το ένα κινείται μεταξύ του ενός τομέα και του άλλου. Μερικά παραδείγματα φαίνονται στο σχήμα 1, που δείχνουν μέτωπα μεταξύ διαφορετικών φυτικών κοινοτήτων όπως δέντρα και χόρτα. Η δυναμική τέτοιων μετώπων είναι γνωστή σε άλλους τομείς όπως η φυσική και η χημεία, αλλά η συμπεριφορά και οι επιπτώσεις τους στην οικολογία έχουν ως επί το πλείστον παραβλεφθεί.
Στην εργασία μας, αποφασίσαμε να διερευνήσουμε αυτό το ζήτημα και να εξετάσουμε συγκεκριμένα τις επιπτώσεις της μπροστινής δυναμικής στις πιθανές αλλαγές καθεστώτος που μπορεί να υποστούν τα οικοσυστήματα. Εστιάσαμε σε τρεις κύριες πτυχές της μπροστινής δυναμικής:τη συμπεριφορά ενός μόνο μετώπου, την αλληλεπίδραση μεταξύ διαφορετικών μετώπων και τη δυνατότητα περισσότερων του ενός τύπων μετώπου υπό τις ίδιες συνθήκες. Χρησιμοποιήσαμε μοντέλα που περιγράφουν τη δυναμική της βλάστησης σε ξηρές περιοχές για αυτήν τη μελέτη, καθώς τέτοια μοντέλα έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για να περιγράψουν και να εξερευνήσουν τη συμπεριφορά των χωρικών μοτίβων βλάστησης σε ξηρές περιοχές, ενώ είναι απλά στην ανάλυση και κατανόηση.
Η πιο απλή συνέπεια της μπροστινής συμπεριφοράς στις αλλαγές καθεστώτος είναι η ταχύτητα του μετώπου, δηλαδή πόσο γρήγορα κινείται ένα μέτωπο και προς ποια κατεύθυνση. Ανάλογα με το εν λόγω οικοσύστημα, οι φυσικές και βιολογικές διεργασίες που ελέγχουν αυτή την ιδιότητα μπορεί να είναι αρκετά διαφορετικές. Σε ξηρές περιοχές όπου η έλλειψη νερού είναι ισχυρός παράγοντας πίεσης, οι σχετικές τοπικές διεργασίες περιλαμβάνουν την κατακρήμνιση, την εξάτμιση και την ανάπτυξη φυτών υπό υδατική πίεση, ενώ οι χωρικές διεργασίες περιλαμβάνουν τη διασπορά των σπόρων και τη ροή του νερού κάτω και πάνω από το έδαφος. Εάν η συνολική διαθεσιμότητα νερού είναι υψηλή, τότε το μέτωπο θα μετακινηθεί για να εισβάλει σε περιοχές γυμνού εδάφους, επεκτείνοντας έτσι τις περιοχές βλάστησης, ενώ η ξηρασία θα κάνει το αντίθετο, οδηγώντας σε συστολή των περιοχών βλάστησης.
Εάν αλλάξουμε μια δεδομένη παράμετρο, με όλες τις άλλες συνθήκες να παραμένουν ίδιες, τότε υπάρχει μια ειδική τιμή για την οποία το μπροστινό μέρος δεν θα μετακινηθεί καθόλου. Αυτό ονομάζεται σημείο Maxwell (που πήρε το όνομά του από τον διάσημο James Maxwell που έφερε επανάσταση στον ηλεκτρομαγνητισμό) και ο υπολογισμός της τιμής του μπορεί να επιτρέψει σε κάποιον να προβλέψει προς ποια κατεύθυνση θα κινηθεί ένα μέτωπο. Όπως δείχνουμε στην εργασία μας, ενώ είναι χρήσιμο να γνωρίζουμε πού βρίσκεται το σημείο Maxwell, υπό εξαιρετικά μεταβλητές συνθήκες αυτό μπορεί να μην είναι αρκετό. Για παράδειγμα, είναι πιθανό ότι για μια δεδομένη μέση ποσότητα ετήσιας βροχόπτωσης, οι σταθερές συνθήκες θα οδηγήσουν στην ανάπτυξη της περιοχής βλάστησης, ενώ η υψηλή μεταβλητότητα μεταξύ των ετών θα οδηγήσει σε συρρίκνωση της περιοχής βλάστησης. Αυτό θα συμβεί εάν το μέτωπο κινείται αργά μόνο προς τα εμπρός σε βροχερά χρόνια, ενώ μια ξηρασία ίσης έκτασης θα οδηγήσει σε γρήγορη συστολή του μετώπου.
Η εστίαση στη δυναμική ενός μόνο μετώπου συνεπάγεται μια απλή σχέση μεταξύ της μπροστινής ταχύτητας και των μετατοπίσεων καθεστώτος. Η κατεύθυνση του μπροστινού μέρους θα καθορίσει ποια αλλαγή καθεστώτος μπορεί να συμβεί λόγω τοπικής διαταραχής, ενώ η ταχύτητα με την οποία κινείται το μπροστινό μέρος καθορίζει πόσο χρόνο θα χρειαστεί για να πραγματοποιηθεί αυτή η σταδιακή αλλαγή καθεστώτος. Αυτή η άποψη παραβλέπει την πιθανότητα μπροστινών αλληλεπιδράσεων, όπου δύο ή περισσότερα μέτωπα επηρεάζουν τη συμπεριφορά του άλλου όταν έρχονται πιο κοντά το ένα στο άλλο.
Όπως δείχνουμε σε μια προσομοίωση στο σχήμα 2, αυτές οι μπροστινές αλληλεπιδράσεις μπορούν να έχουν ισχυρή επίδραση στις αλλαγές καθεστώτος που σχετίζονται με τα μέτωπα. Συγκεκριμένα, εάν τα μέτωπα αλληλεπιδρούν για να επιβραδύνουν το ένα το άλλο, όπως φαίνεται στο σχήμα 2, τότε τα μέτωπα ενδέχεται να μην καταλάβουν ολόκληρο το σύστημα και ενδέχεται να παραμείνουν υπολείμματα της εναλλακτικής κατάστασης. Αυτό σημαίνει ότι ένα μέτωπο ερημοποίησης, όπως μπορεί να προκληθεί από μια αλλαγή συνθηκών όπως η υπερθέρμανση του πλανήτη, δεν χρειάζεται να οδηγήσει σε ένα εντελώς άγονο τοπίο, αλλά σε μικρά κομμάτια βλάστησης, από τα οποία το οικοσύστημα θα μπορούσε να ανακάμψει εάν οι συνθήκες αργότερα βελτιώσει. Τείνει επίσης να οδηγεί σε διάφορα χωρικά μοτίβα βλάστησης, όπως φαίνεται στο μοτίβο που μοιάζει με καμηλοπάρδαλη στο σχήμα 2.
Τέλος, είναι επίσης πιθανό να υπάρχουν περισσότεροι από ένας τύποι πρόσοψης υπό τις ίδιες συνθήκες. Αυτή η κατάσταση μοιάζει λίγο με την ύπαρξη εναλλακτικών σταθερών καταστάσεων, με τη διαφορά ότι το μέτωπο είναι μια εντοπισμένη δομή στο χώρο που τείνει να κινείται και επομένως δεν είναι ακίνητη. Αυτά τα διαφορετικά μέτωπα έχουν διαφορετικές ιδιότητες και δείχνουμε πώς ένας τύπος πρόσοψης μπορεί να είναι σημαντικά πιο αργός από τον άλλο. Η ύπαρξη τέτοιας δισταθερότητας του μετώπου σημαίνει ότι κάποιος θα μπορούσε να επιβραδύνει την πρόοδο μιας συνεχιζόμενης αλλαγής καθεστώτος με μια περιορισμένη επέμβαση, εστιασμένη στην ίδια την περιοχή του μετώπου. Θα μπορούσε έτσι κάποιος να βοηθήσει στη διατήρηση ενός βιώσιμου οικοσυστήματος με μια ελάχιστη αλλαγή στην μπροστινή περιοχή, αντί να επιχειρήσει να επηρεάσει ολόκληρο το οικοσύστημα.
Συνολικά, δείχνουμε ότι διαφορετικές μπροστινές ιδιότητες μπορεί να έχουν σημαντικές επιπτώσεις στην τύχη ενός οικοσυστήματος που υφίσταται διάφορες διαταραχές. Η καλύτερη κατανόηση των επιπτώσεων της χωρικής δομής και των διαταραχών στα οικοσυστήματα είναι σημαντική, καθώς ο ανθρώπινος αντίκτυπος, όπως η υπερθέρμανση του πλανήτη και ο κατακερματισμός των οικοτόπων, γίνονται όλο και πιο κυρίαρχοι.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται σε μια εργασία με τίτλο Regime shifts by front dynamics, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Ecological Indicators . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Yuval R. Zelnik και Ehud Meron από το Πανεπιστήμιο Ben-Gurion του Negev.
