Ökoloogid püüavad nn võtmekiviliikidest haarata | Ajakiri Quanta

Anne Salomoni esimene nädal magistrandina 2001. aastal ei olnud see, mida ta oli oodanud. Samal ajal kui teised uued tudengid suundusid sissejuhatavatele loengutele, viidi Salomon kaubiku ja seejärel mootorpaadiga minema Tatooshi saarele, mis asub Washingtoni olümpiapoolsaare loodetipu rannikul. Selle isoleeritud saare mõõnabasseinide hulgas vaatas Salomon kaljudel elavat eluvõrku: ookrivärvi meretähti, kõrrelisi, rannakarpe, tigusid ja erinevaid vetikaid, mis võtsid salatit, sammalt ja mullikilet meenutavaid vorme.

Selle lainetest räsitud paljandi külastamine oli Bob Paine'i laborikaaslastele üleminekuriitus. Aastakümneid varem oli raudkangiga relvastatud Paine esmalt lillat värvi Pisaster meritäht – ökosüsteemi tippkiskja – lähedalasuva Makah lahe tõusuvee basseinidest ja paiskas need merre, et ta saaks teada, millised jõud organiseerisid kivide külge klammerduvate olendite kogukonna. Tulemused mõjutaksid põhjalikult ökoloogiat, kaitset ja avalikkuse ettekujutust loodusest. Pärast kolme meritähteta aastat vähenes algselt basseinides esinenud 15 liiki kaheksani. 10 aasta pärast domineeris kaldal rannakarbi monokultuur.

. Paine'i katse tulemused, avaldatud Ameerika loodusteadlane 1966. aastal näitas, et üks liik võib ökoloogilist kooslust oluliselt mõjutada. Kui Paine jagas oma leide paleoökoloogi ja looduskaitsjaga Estella Leopold, arvas ta, et võimas kontseptsioon väärib meeldejäävat nime. Järgmises artiklis määras ta Pisaster meritäht on "peakiviliik", mis viitab arhitektuurilisele päiskivile: kiilukujuline kivi kaare tipus, mis pärast sisestamist takistab konstruktsiooni kokkuvarisemist. "Bobil oli üsna poeetiline ja jutustav meel," ütles Mary Power, California Berkeley ülikooli emeriitprofessor, kes õppis Paine'i käe all. (Paine suri 2016. aastal.)

Salomon, Power ja teised Paine'i üliõpilased pühendasid oma lõputöö nurgakivi kontseptsiooni täpsustamisele ja liigi ökoloogilise nurgakivilisuse matemaatilisele määratlemisele. Kuid nagu kaljudele kumav meritäht, sai metafoor kinni teaduslikus ja avalikkuses. Paljud ökoloogid ja looduskaitsjad kaotasid silmist algse tähtsuse, mille Paine sellele terminile andis, ja hakkasid näiliselt kõiki olulisi liike nurgakiviks nimetama. Tõepoolest, eelmisel aastal avaldatud analüüs näitas, et nurgakivideks on märgitud üle 200 liigi. Märgi kasutamine on muutunud nii laialdaseks, et mõned ökoloogid kardavad, et see on kaotanud igasuguse tähenduse.

Ökoloogid töötavad täna selle nimel, et täpsustada, mida tähendab "peatüki liigid", ja propageerida nõudlikumat rakendust. Nad väidavad, et võtmeliikide täpsema tuvastamisega saavad poliitikakujundajad paremini tuvastada ja kaitsta liike, millel on ökosüsteemidele ebaproportsionaalne mõju. Ja uued rakendused mikroobimeditsiinis võivad aidata bioloogidel täpsemalt kvantifitseerida võtmetähtsusega liikide mõju, mis võib olla kasulik mitte ainult ökosüsteemidele, vaid ka inimeste tervisele.

Liigi olulisus

Aastakümnetel enne seda, kui Paine viis läbi oma praeguseks kuulsaks saanud katse, olid ökoloogid lähenenud teooriale, et elupaika jagavad liigid on ühendatud püramiidvõrgustikus, kes keda sööb. Tipus olid haruldased kiskjad, kes sõid väiksemaid kiskjaid või taimtoidulisi, kes ise tarbisid ohtralt "tootjaid", nagu taimi või vetikaid, mida toidab otseselt päikesevalgus ja fotosüntees. Ökoloogide arvates kontrollis veebi stabiilsust alt üles tootjate kättesaadavus.

Kuid 1960. aastateks oli see mõtlemine muutumas. Kas kogukondi võiksid tugevalt mõjutada ka kiskjad? Võib-olla domineeris taimestik ökosüsteemides mitte sellepärast, et tootjad piirasid teisi liike, vaid sellepärast, et kiskjad takistasid taimtoidulistel ülekarjatamist. Paine'i katse oli üks esimesi, kes sellist ülalt-alla kontrolli reaalajas veenvalt demonstreeris.

Siis ökoloog James Estes dokumenteeris, kuidas merisaarmad California avamere pruunvetikametsades mängisid nurgakivi rolli, mis sarnaneb meritähte omaga Paine'i loodete basseinides. Aastal 1974 avaldatud artiklis teadus, kirjeldas ta, kuidas merisaarmas, üks röövloom, struktureeris mitmekesisust pruunvetikametsa kogukonnast. Merisaarmad hoidsid taimtoidulisi merisiilikuid vaos; ilma kiskjateta karjatasid siilikud üle ja hävitasid kogu pruunvetikast sõltuvate liikide komplekti.

Need uuringud ja nurgakivi idee tõusid esile samal hetkel, kui Ameerika keskkonnaalane südametunnistus tekkis. 1973. aastal võttis kongress vastu ohustatud liikide seaduse, mis võttis liigikeskne lähenemine eluslooduse säilitamiseks. Idee, et ühe liigi populatsiooni taastamine – võib-olla nurgakivi – võiks tagada selle uue õigusraamistikuga kooskõlas oleva ökoloogilise kogukonna bioloogilise mitmekesisuse.

Selle tulemusena sai päiskiviliikide kontseptsioon omaette elu. Teadlased ja looduskaitsjad kasutasid seda terminit üha enam kõigi oluliseks peetavate liikide puhul, iseloomustades Paine'i algset ideed valesti. Tippkiskjad, nagu hundid ja haid, kelle puudumisel oli drastiline allavoolu mõju, olid ilmselgelt võtmekivid. Nii olid ka elupaiku muutvad ökosüsteemi insenerid, nagu koprad, rähnid, piisonid ja preeriakoerad. Kuid peagi leidus ka teaduslikke viiteid nurgakivide herbivooridele, nurgakivitaimedele, nurgakivi tolmeldajatele ja isegi nurgakivide patogeenidele. Oluliseks peetavad liigirühmad märgistati "peakivigildideks".

Kui selle termini populaarsus tõusis, töötasid ökoloogid vaikselt ökoloogilise võrgustiku liigisõlmede vaheliste suhete matemaatilise määratluse kallal. Tatooshi saarel jätkasid Paine'i õpilased loodete basseinide uurimist, lisades või kustutades liike, et näha, millised neist on kogukonna jaoks kõige olulisemad. Võttes aastate jooksul hoolikaid mõõtmisi, kvantifitseerisid nad iga karjakasvataja suhtelise võime mõjutada pruunvetikate juurdumisvõimet – Paine'i mõõtmist, mida nimetati "interaktsioonitugevuseks elaniku kohta" ja mida hiljem hakati nimetama "peakiviks olemiseks". Kui organismil oli kõrge nurgakivisus, oli igal indiviidil oma ökosüsteemile ebaproportsionaalselt suur mõju.

Kuid enamik inimesi ei järginud seda uut ökoloogilist matemaatikat. 1990. aastateks olid mõned ökoloogid muutunud murelikuks, et "peakiviliikide" liigne kasutamine muudab ja kahandab mõiste tähendust. Oli aeg see välja räsida. 1994. aasta detsembris toimus Hawaiil Hilos väike ökoloogide konverents, millest mõned nimetasid end "peakivivõmmidena", et töötada välja konsensuslik määratlus. Järgides Paine'i ja Poweri matemaatikat, nõustusid nad, et "peakiviliik on liik, mille mõju oma kogukonnale või ökosüsteemile on suur ja palju suurem, kui selle arvukusest võiks eeldada."

Selle määratluse kohaselt ei ole lõhe peamine liik, kuigi see on ökoloogiliselt oluline. "Kui võtate jõest välja ühe üksiku lõhe, ei ole sellel suurt mõju," ütles Salomon. Seevastu, kui võtate mõõnavööndi tükist välja ühe meretähe, "on sellel suur mõju".

Hilo konvent oli väärt pingutus. Kuid see ei takistanud teadlasi järgmistel aastakümnetel nimetamast uusi nurgakivisid. "Probleem on selles, et puuduvad standardid, millele teadlased peavad oma uuritava organismi määramisel nurgakiviks," ütles ta. Bruce Menge, kogukonna ökoloog Oregoni osariigi ülikoolis ja teine ​​endine Paine'i magistrant. "Igaüks võib vabalt soovitada, vaielda või spekuleerida, et nende liik on võtmekivi." Ja tõepoolest, hiljuti tehtud uus analüüs näitas, kui kaugele see kontseptsioon on veninud.

Me kõik oleme siin võtmekivid

Ishana Shukla oli 2021. aastal Victoria ülikooli magistrant, kes soovis analüüsida nurgakiviliikide tunnuseid. "Ma arvasin üsna naiivselt, et võiksite lihtsalt Google'iga otsida võtmekiviliikide nimekirja ja siis tuleb ilus nimekiri," ütles ta. Kui ta seda ei leidnud, mõtles ta, et loob oma. Ta kaevandas rohkem kui 50 aastat avaldatud andmeid, mis hõlmasid 157 uuringut, ja tuvastas 230 liiki, mida peetakse võtmekivideks. Ta nägi, et ökoloogiliste teadmiste arenedes „hakkas nurgakivi funktsioon laienema ja laiemaks”.

Tema ja tema kaasautorid kasutavad analüütilist tehnikat, mis korraldab üksused seotud klastritesse leidis viit tüüpi nurgakiviliike: suured selgroogsed kiskjad nagu haid ja hundid; selgrootud mugijad nagu pikaotsaga merisiilik ja kapsaliblikas; keskmised liigid, mis on nii röövloomad kui ka saagiks, nagu latikas ja härjapea; selgrootud, kes täidavad toiduvõrkudes olulist rolli, nagu põhjakrevetid ja mesilased; ja väikesed imetajad, kes muudavad elupaiku, nagu jäärott ja mustsaba-preeriakoer.

"Oleme tuvastanud terve hulga nurgakivisid, mis ei saa tingimata kaitsemeetmeid või kaitset tähelepanu pöörata, kuid näeme, et need on meie ökosüsteemi jaoks tohutult olulised," ütles ta. shukla, nüüd doktorant California Davise ülikoolis.

"Kõige olulisem sõnum sellest dokumendist oli see, et nurgakiviliigid ei ole kõik ühesugused," ütles Diane Srivastava, Briti Columbia ülikooli kogukonna ökoloog, kes Costa Ricas töötades tuvastas bromeelia lehtede sees kogunenud vees põldkärbese vastsed kui võtmekiviliigid. „Üldsus tajub võtmetähtsusega liike, et nad on suured maismaaimetajad, kuid tegelikult enamik neist seda ei ole. Enamik nurgakiviliike on vees elavad. Paljud neist ei ole kiskjad. Selgrootuid on päris palju.”

Kuid artikkel ei püüdnud hinnata, kas need liigid olid tõelised matemaatilised nurgakivid või mitte. Selle asemel ütles Menge, et Shukla ja tema kaastöötajad tegid lihtsalt kokkuvõtte, kuidas seda terminit on kasutatud ja väärkasutatud. Sel viisil rõhutati uurimistöös, mitte keeruliseks, "mõiste" nurgakiviliigid" jätkuvat liberaalset kasutamist, et viidata mis tahes tugevale interaktsioonile, millel on kaudsed tagajärjed, " ütles ta.

Ükski Shukla kategooria ei sisaldanud mikroobe. Tõepoolest, Paine ja teised ei mõelnud oma katsetes üldse mikroorganismidele. Siiski on nurgakivilisuse kvantifitseerimisest saanud meditsiinilise mikrobioloogia uudse uurimissuuna teema.

Keystone teie soolestikus

Mikrobioomid hõlmavad sadu kuni tuhandeid mikroobiliike, mis suhtlevad keerulises ökosüsteemis. Miks ei võiks neil olla ka nurgakiviliike?

"Arvatavasti, kui on olemas võtmekiviliik, võib süsteem olla üsna habras," ütles Yang-Yu Liu, kes uurib mikrobioomi Brighami ja naistehaiglas ning Harvardi meditsiinikoolis. Näiteks kui antibiootikumid hävitasid teie soolestiku nurgakivimikroobi, võib mikroobide ökosüsteem kokku kukkuda ja põhjustada terviseprobleeme. "Sellepärast olen huvitatud mikroobikoosluste nurgakiviliikide tuvastamisest, " ütles ta.

Inimese mikrobioomide liike ükshaaval eemaldada ei ole tehniliselt ega eetiliselt võimalik, nii nagu võite meritähti kividelt välja kitkuda. Selle asemel Liu ja tema kolleegid pöördus AI poole novembris avaldatud artiklis Looduse ökoloogia ja areng. Kasutades soolestiku, suuõõne, pinnase ja korallide mikrobioomi andmebaasidest saadud andmeid, koolitasid nad välja süvaõppemudeli, et hinnata liikide tähtsust mikroobikooslustes, vaadates, mis juhtus kogukonnaga pärast seda, kui iga liik eemaldati mudeli mikrobiomist – sisuliselt kvantifitseerides nurgakivi. - iga mikroobi olemasolu.

Liu analüüsis "me ei leidnud ühtegi väga suure nurgakivilisusega liiki," ütles ta. Suurim arvutatud väärtus oli umbes 0.2. Kuna nende nurgakivisuse määratlus jääb vahemikku nullist 1-ni, "0.2 pole tõesti suur arv," ütles ta.

See ei tähenda, et mikroobikooslustes pole nurgakivisid. Liu usub, et nendel kogukondadel on väga kõrge funktsionaalne koondamine - see tähendab, et mitu liiki võivad täita sarnaseid ökoloogilisi rolle ja võivad seetõttu olla omavahel asendatavad. Ja mõnel liigil võib olla kõrge nurgakivisus mitte absoluutses mõttes, vaid võrreldes konkreetse inimese mikrobioomiga, mis on väga isikupärastatud. "Need liigid on selles mõttes üsna olulised, et kui te need eemaldate, võib süsteem palju muutuda, " ütles Liu.

Selles mõttes on mikroobikooslustes nurgakivi liigi kontseptsioon kontekstist sõltuv. Ühe mikrobioomi nurgakivi ei pruugi olla teise nurgakivi. "Ma tunnen, et ökoloogid pole seda aspekti kõrgelt hinnanud," ütles Liu.

Ökoloogid maadlevad praegu nurgakiviliikide kontekstuaalse olemusega, mis ei jää mikroobidesse, ning mõtisklevad selle üle, kas ja kuidas on sellel kontseptsioonil bioloogilise mitmekesisuse vähenemise tegelikkuses tähtsust.

Metafoori ümberhindamine

Menge on pühendanud oma karjääri ökoloogilise kogukonna struktuuri mõistmisele, jätkates Paine'i lõpetanud tööst kivistele kallastele keskendumist. Ta on leidnud, et Paine'i ikooniline lilla täht ei ole kõikjal võtmetähtsusega liik. Sellel on kohati tugevam nurgakivilisus, näiteks lainetest tugevamini löödud mõõnabasseinides. "Tegelikult ei ole meretäht varjulisemates kohtades üldse päiskivi," ütles ta.

Ka Paine leppis sellega. Alaskal, kus lõunapoolsemate lillade tähtede eelistatud rannakarp puudub, on kiskja "lihtsalt järjekordne meretäht," meenutas Power Paine'i sõnu.

Menge ütles, et tõsiasi, et nurgakiviliigid on kontekstist sõltuvad ning ruumis ja ajas erinevad, jääb lühiajalistes uuringutes kahe silma vahele.

Siiski pole Srivastava valmis kontseptsioonist loobuma. Kuigi nurgakividele ja üksikutele liikidele keskendumine võis poliitikakujundajate ja looduskaitsjate tähelepanu kõrvale juhtida terviklikumatest kaitsemeetmetest, võib ühe liigi kaitsmine ja taastamine mõnikord olla kasulik paljudele teistele ökosüsteemi liikidele. "See ei tähenda, et me kiirustaksime nurgakiviliike päästma ja ignoreeriksime süsteemi kui terviku mitmekesisust," ütles ta.

Srivastava rõhutas ka, et nurgakivid ei ole ainus viis süsteemide stabiliseerimiseks. "Ökoloogid arvavad nüüd, et mõned stabiilsuse seisukohast kõige olulisemad vastasmõjud on tegelikult suhteliselt nõrgad vastasmõjud," ütles ta. "Kui teil on palju liike, kes omavahel nõrgalt suhtlevad, on see umbes nagu palju telgivaike seob teie telgi tuuletormis. See hajutab mõned häired.

Menge on suures osas nõus. Ülemaailmse liikide kadumise taustal peaks põhirõhk olema elupaikade ja bioloogilise mitmekesisuse, mitte üksikute liikide kaitsmisel, ütles ta. "Kui neid kahte asja tehti piisavalt paljudes kohtades, pole ma kindel, et nurgakiviliigi idee on nii kriitiline."

Võib-olla on üks nurgakivi olulisem kui ülejäänud. Ühes Paine'i viimases artiklis, mis avaldati 2016. aastal tema surmapäeval, on ta koos ökoloogiga Boriss Worms tegi ettepaneku, et inimesed on "hüperkeystone liigid” – see, mis avaldab sügavat mõju teiste nurgakivide ärakasutamise kaudu.

Inimesi ei saa süsteemist eemaldada nagu meritähti, et hinnata meie mõju. Salomon ütles, et me saame aga õppida, kuidas vähendada oma nurgakivisust tõhusa kaitsepraktika ja -poliitika abil. "Meil on ka võime õppida ennast juhtima."

See on üks põhjus, miks ökoloogid jätkavad nurgakiviliikide uuesti määratlemist ja läbivaatamist. Võimas sümbol ei kao kuhugi, kuid täiustatud definitsiooni abil saaksid inimesed õppida, kuidas seda paremini rakendada.

Paine teadis seda. Salomonile meeldib õpilastega oma sõnu jagada: “Teadmatusest ei saa hakkama. Peate teadma, mis liigid teevad, keda nad söövad, millist rolli need saakloomad mängivad. Kui sa seda tead, saad teha mõningaid arukaid otsuseid.