يبدو أن علماء الفيزياء يجدون ظاهرة الفوضى في كل مكان: في مدارات الكواكب ، في أنظمة الطقس ، في دوامات النهر. لما يقرب من ثلاثة عقود ، اعتبر علماء البيئة أن الفوضى في العالم الحي نادرة بشكل مدهش بالمقارنة. تحليل جديد، ومع ذلك ، يكشف أن الفوضى منتشرة في النظم البيئية أكثر بكثير مما كان يعتقد الباحثون.
تانيا روجرز كانت تستعرض الأدبيات العلمية بحثًا عن الدراسات الحديثة حول الفوضى في النظم البيئية عندما اكتشفت شيئًا غير متوقع: لم ينشر أحد تحليلاً كميًا لها منذ أكثر من 25 عامًا. قال روجرز ، عالم البيئة البحثي في جامعة كاليفورنيا ، سانتا كروز والمؤلف الأول للدراسة الجديدة: "لقد كان الأمر مفاجئًا نوعًا ما". "مثل ، لا أصدق أن أحداً لم يفعل هذا."
لذلك قررت أن تفعل ذلك بنفسها. من خلال تحليل أكثر من 170 مجموعة من بيانات النظام البيئي المعتمدة على الوقت ، وجدت روجرز وزملاؤها أن الفوضى كانت موجودة في ثلثهم - ما يقرب من ثلاثة أضعاف التقديرات في الدراسات السابقة. علاوة على ذلك ، اكتشفوا أن مجموعات معينة من الكائنات الحية ، مثل العوالق والحشرات والطحالب ، كانت أكثر عرضة للفوضى من الكائنات الأكبر مثل الذئاب والطيور.
قال "هذا لم يكن موجودًا في الأدبيات على الإطلاق" ستيفان مونش، عالم البيئة التطورية في سانتا كروز ومؤلف مشارك في الدراسة. تشير نتائجهم إلى أنه لحماية الأنواع المعرضة للخطر ، فمن الممكن والضروري بناء نماذج أكثر تعقيدًا من السكان كدليل لسياسات الحفظ.
عندما تم التعرف على علم البيئة لأول مرة كعلم رسمي في القرن التاسع عشر ، كان الافتراض السائد هو أن الطبيعة تتبع قواعد بسيطة وسهلة الفهم ، مثل الساعة الميكانيكية التي يقودها التروس المتشابكة. إذا تمكن العلماء من قياس المتغيرات الصحيحة ، فيمكنهم التنبؤ بالنتيجة: المزيد من الأمطار ، على سبيل المثال ، يعني حصاد تفاح أفضل.
في الواقع ، وبسبب الفوضى ، قال "العالم أكثر بكثير من الضرب على الخلد" جورج سوغيهارا، عالم البيئة الكمية في معهد سكريبس لعلوم المحيطات في سان دييغو ولم يشارك في البحث الجديد. تعكس الفوضى القدرة على التنبؤ بمرور الوقت. يقال إن النظام يكون مستقرًا إذا تغير قليلًا جدًا على مدى فترة زمنية طويلة ، وعشوائي إذا كانت تقلباته غير متوقعة. لكن النظام الفوضوي - الذي تحكمه ردود غير خطية للأحداث - قد يكون متوقعًا على مدى فترات قصيرة ولكنه يخضع لتحولات دراماتيكية متزايدة كلما ابتعدت.
قال روجرز: "غالبًا ما نعطي الطقس مثالًا على النظام الفوضوي". من المحتمل ألا يؤثر نسيم الصيف فوق المحيط المفتوح على توقعات الغد ، ولكن في ظل الظروف المناسبة تمامًا ، يمكن نظريًا إرسال إعصار إلى منطقة البحر الكاريبي في غضون أسابيع قليلة.
بدأ علماء البيئة في مغازلة مفهوم الفوضى في السبعينيات ، عندما كان عالم الأحياء الرياضي روبرت ماي طورت أداة ثورية تسمى الخريطة اللوجستية. يوضح هذا الرسم التخطيطي المتفرع (يُعرف أحيانًا باسم مخطط نسيج العنكبوت بسبب مظهره) كيف تتسلل الفوضى إلى نماذج بسيطة للنمو السكاني وأنظمة أخرى بمرور الوقت. نظرًا لأن بقاء الكائنات الحية يتأثر كثيرًا بالقوى الفوضوية مثل الطقس ، افترض علماء البيئة أن مجموعات الأنواع في الطبيعة غالبًا ما ترتفع وتنخفض بشكل عشوائي. سرعان ما أصبحت الخرائط اللوجستية منتشرة في كل مكان في هذا المجال حيث سعى علماء البيئة النظريون لشرح التقلبات السكانية في الكائنات الحية مثل السلمون والطحالب التي تسبب المد الأحمر.
بحلول أوائل التسعينيات ، كان علماء البيئة قد جمعوا مجموعات بيانات متسلسلة زمنية كافية حول مجموعات الأنواع وقوة حاسوبية كافية لاختبار هذه الأفكار. كانت هناك مشكلة واحدة فقط: يبدو أن الفوضى لم تكن موجودة. يبدو أن حوالي 90 ٪ فقط من السكان الذين تم فحصهم يتغيرون بشكل فوضوية ؛ أما الباقي فيدور بثبات أو يتقلب بشكل عشوائي. تراجعت نظريات فوضى النظام البيئي عن الموضة العلمية بحلول منتصف التسعينيات.
النتائج الجديدة من روجرز ومونش وزميلهم في الرياضيات في سانتا كروز بيثاني جونسونومع ذلك ، يشير إلى أن العمل القديم فاته حيث كانت الفوضى مختبئة. للكشف عن الفوضى ، استخدمت الدراسات السابقة نماذج ذات بُعد واحد - حجم عشيرة نوع واحد بمرور الوقت. لم يأخذوا في الاعتبار التغييرات المقابلة في عوامل العالم الحقيقي الفوضوية مثل درجة الحرارة وضوء الشمس وهطول الأمطار والتفاعلات مع الأنواع الأخرى التي قد تؤثر على السكان. استوعبت نماذجهم أحادية البعد كيف تغير السكان ، ولكن ليس سبب تغيرهم.
قال روجرز ومونش "بحثا عن [الفوضى] بطريقة أكثر منطقية" آرون كينج، أستاذ علم البيئة وعلم الأحياء التطوري في جامعة ميشيغان ولم يشارك في الدراسة. باستخدام ثلاث خوارزميات معقدة مختلفة ، قاموا بتحليل 172 سلسلة زمنية لمجموعات الكائنات الحية المختلفة كنماذج ذات ستة أبعاد بدلاً من واحد فقط ، مما يترك مجالًا للتأثير المحتمل لعوامل بيئية غير محددة. بهذه الطريقة ، يمكنهم التحقق مما إذا كانت الأنماط الفوضوية غير الملحوظة يمكن تضمينها في التمثيل أحادي البعد لتحولات السكان. على سبيل المثال ، قد يكون المزيد من هطول الأمطار مرتبطًا بشكل فوضوي بالزيادة أو النقصان السكاني ، ولكن فقط بعد تأخير لعدة سنوات.
اكتشف روجرز وجونسون ومونش في البيانات السكانية لحوالي 34٪ من الأنواع ، وجود تواقيع للتفاعلات غير الخطية بالفعل ، والتي كانت أكثر فوضى بكثير مما تم اكتشافه سابقًا. في معظم مجموعات البيانات هذه ، لم تظهر التغيرات السكانية للأنواع فوضوية في البداية ، ولكن كانت علاقة الأرقام بالعوامل الأساسية. لم يتمكنوا من تحديد العوامل البيئية التي كانت مسؤولة على وجه التحديد عن الفوضى ، ولكن مهما كانت ، كانت بصمات أصابعهم على البيانات.
كشف الباحثون أيضًا عن علاقة عكسية بين حجم جسم الكائن الحي ومدى الفوضى التي تميل ديناميكيات سكانها إلى الفوضى. قد يكون هذا بسبب الاختلافات في وقت التوليد ، حيث تتأثر الكائنات الصغيرة التي تتكاثر في كثير من الأحيان أكثر بالمتغيرات الخارجية في كثير من الأحيان. على سبيل المثال ، تظهر مجموعات الدياتومات مع أجيال من حوالي 15 ساعة فوضى أكثر بكثير من مجموعات الذئاب ذات الأجيال التي تقرب من خمس سنوات.
ومع ذلك ، هذا لا يعني بالضرورة أن مجموعات الذئاب مستقرة بطبيعتها. قال مونش: "أحد الاحتمالات هو أننا لا نشهد فوضى هناك لأننا لا نملك بيانات كافية للعودة إلى الوراء خلال فترة زمنية طويلة كافية لرؤيتها". في الواقع ، يشك هو وروجرز في أنه بسبب قيود البيانات الخاصة بهم ، قد تكون نماذجهم تقلل من حجم الفوضى الكامنة الموجودة في النظم البيئية.
يعتقد Sugihara أن النتائج الجديدة قد تكون مهمة للحفظ. يمكن للنماذج المحسّنة التي تحتوي على العنصر الصحيح من الفوضى أن تقوم بعمل أفضل في التنبؤ بتكاثر الطحالب السامة ، على سبيل المثال ، أو تتبع تجمعات مصايد الأسماك لمنع الصيد الجائر. يمكن أن يساعد التفكير في الفوضى أيضًا الباحثين ومديري الحفظ على فهم مدى إمكانية التنبؤ بحجم السكان بشكل هادف. قال: "أعتقد أنه من المفيد أن تكون القضية في أذهان الناس".
ومع ذلك ، فقد حذر هو وكينج من وضع الكثير من الثقة في هذه النماذج الواعية بالفوضى. قال كينج: "المفهوم الكلاسيكي للفوضى هو في الأساس مفهوم ثابت": إنه مبني على افتراض أن التقلبات الفوضوية تمثل خروجًا عن بعض المعايير الثابتة والمتوقعة. ولكن مع تقدم تغير المناخ ، أصبحت معظم النظم البيئية في العالم الحقيقي غير مستقرة بشكل متزايد حتى على المدى القصير. حتى مع أخذ العديد من الأبعاد في الاعتبار ، سيتعين على العلماء أن يكونوا مدركين لخط الأساس المتغير باستمرار.
ومع ذلك ، فإن أخذ الفوضى في الاعتبار يعد خطوة مهمة نحو نمذجة أكثر دقة. قال مونش: "أعتقد أن هذا مثير حقًا". "إنه يتعارض فقط مع الطريقة التي نفكر بها حاليًا حول الديناميكيات البيئية."
