Yksinkertaisempi matematiikka ennustaa, kuinka lähellä ekosysteemit ovat romahtamassa

Sumeat kimalaiset, kuten pieniä oransseja lampaita, lentää Argentiinan metsän alustaa peittävien liljojen välissä, lannoittaa kukkia ja hankkia ravintoa itselleen. Sisään ikivanha heinäniitty Englannissa tanssikärpäset – jotka näyttävät enemmän isommiksi hyttysiltä kuin balleriinoilla – metsästävät kukkia siitepölyllä jättäen huomiotta lähellä olevat nektaria sisältävät kukat. Päällä kivinen saari Seychelleillä, mehiläiset ja koit poimivat kukkansa huolellisesti; pölyttäjien määrä ja tyypit vaikuttavat siihen, mitkä kasvit tarttuvat kallioihin.

Tällaiset lajien väliset vuorovaikutukset, joita kenttäekologit velvollisuudentuntoisesti kirjaavat havainnoissaan, voivat yksittäin tarkasteltuna tuntua merkityksettömiltä. Yhteenvetona ne kuitenkin kuvaavat ekosysteemin muodostavien lajivuorovaikutusten yksityiskohtaista dynamiikkaa.

Ne dynamiikka ovat kriittisiä. Monet luonnonympäristöt ovat uskomattoman monimutkaisia ​​järjestelmiä, jotka heiluvat lähellä "käännekohtaa", jossa lähes peruuttamaton siirtyminen yhdestä erillisestä tilasta toiseen. Jokainen tuhoisa shokki – joka johtuu metsäpaloista, myrskyistä, saastumisesta ja metsäkadosta, mutta myös lajien häviämisestä – häiritsee ekosysteemin vakautta. Kääntöpisteen jälkeen toipuminen on usein mahdotonta.

Se on kuin kallistaisi vesilasia, selitti György Barabas, teoreettinen ekologi Linköpingin yliopistossa Ruotsissa. "Jos painamme sitä hieman, se palaa", hän sanoi. "Mutta jos työnnämme sen liian pitkälle, se kaatuu." Kun lasi on kaatunut, pieni painallus ei voi palauttaa lasia pystyasentoon tai täyttää sitä vedellä.

Ymmärtää, mikä määrittää nämä ympäristön käännekohdat ja niiden ajoituksen, on yhä tärkeämpää. Laajalti siteerattu 2022 tutkimus havaitsi, että Amazonin sademetsä on muuttumassa kuivaksi niityksi, koska metsien hävittäminen ja ilmastonmuutos tekevät kuivuudesta yleisempää ja ankarampaa suuremmilla alueilla. Tuon siirtymän vaikutukset voivat levitä maailmanlaajuisesti muihin ekosysteemeihin.

Äskettäinen läpimurto ekosysteemien matemaattisessa mallintamisessa voisi antaa mahdollisuuden ensimmäistä kertaa arvioida tarkasti, kuinka lähellä ekosysteemit ovat tuhoisia käännekohtia. Löydön sovellettavuus on edelleen jyrkästi rajoitettu, mutta Jianxi Gao, tutkimusta johtanut Rensselaer Polytechnic Instituten verkostotutkija, toivoo, että tiedemiehet ja päätöksentekijät voivat aikanaan tunnistaa riskialttiimmat ekosysteemit ja räätälöidä interventioita niitä varten.

"Nyt sinulla on numero"

Matemaattisten mallien avulla tiedemiehet voivat periaatteessa ymmärtää, mitä järjestelmän kaatuminen vaatii. Tästä ennustekyvystä keskustellaan usein ilmastomallien ja lämpenemisen vaikutuksen yhteydessä suuriin geofysikaalisiin järjestelmiin, kuten sulava Grönlannin jäätikkö. Mutta metsien ja niittyjen kaltaisten ekosysteemien kaatumista on luultavasti vaikeampi ennustaa monien erilaisten vuorovaikutusten aiheuttaman poikkeuksellisen monimutkaisuuden vuoksi. Tim Lenton, joka työskentelee ilmaston kääntöpisteiden parissa Exeterin yliopistossa Englannissa.

Tuhansia laskelmia voidaan tarvita järjestelmän jokaisen lajin erottuvien vuorovaikutusten vangitsemiseksi, Barabas sanoi. Laskelmat tekevät malleista äärimmäisen monimutkaisia ​​varsinkin ekosysteemin koon kasvaessa.

Viime elokuussa Nature Ecology & Evolution, Gao ja kansainvälinen kollegoiden tiimi osoittivat, kuinka tuhansia laskelmia voi tehdä vain yhteen kokoamalla kaikki vuorovaikutukset yhdeksi painotetuksi keskiarvoksi. Tämä yksinkertaistaminen vähentää valtavan monimutkaisuuden vain kouralliseen keskeisiä ajureita.

"Yhdellä yhtälöllä tiedämme kaiken", Gao sanoi. "Ennen sinulla on tunne. Nyt sinulla on numero."

Luotettiin aikaisempiin malleihin, jotka pystyivät kertomaan, voiko ekosysteemi olla vaikeuksissa varhaisvaroitussignaaleja, kuten hidastunut palautumisaste iskun jälkeen. Mutta varhaisvaroitussignaalit voivat antaa vain yleisen käsityksen siitä, että ekosysteemi lähestyy kallion reunaa, sanoi. Egbert van Nes, ekologi Wageningenin yliopistossa Hollannissa ja on erikoistunut matemaattisiin malleihin. Gaon ja hänen kollegoidensa uusi yhtälö käyttää myös varhaisvaroitussignaaleja, mutta se voi kertoa tarkalleen, kuinka lähellä ekosysteemit ovat kallistumassa.

Jopa kaksi ekosysteemiä, jotka näyttävät samoja varoitussignaaleja, eivät kuitenkaan välttämättä ole yhtä lähellä romahduksen partaalla. Siksi Gaon tiimi kehitti myös skaalaustekijän, joka mahdollistaa paremmat vertailut.

Testaakseen uutta mallintamistapaansa tutkijat keräsivät tietoja 54 todellisesta ekosysteemistä online-tietokanta kenttätutkimushavaintoja eri puolilta maailmaa – mukaan lukien Argentiinan metsät, Englannin niityt ja Seychellien kallioiset kalliot. Sitten he suorittivat tiedot sekä uuden mallin että vanhempien mallien läpi varmistaakseen, että uusi yhtälö toimi oikein. Tiimi havaitsi, että heidän mallinsa toimii parhaiten homogeenisille ekosysteemeille ja muuttuu epätarkemmiksi ekosysteemien monipuolistuessa.

Oletusten testaus

Barabas huomautti, että äskettäin johdettu yhtälö perustuu olettamukseen, että lajien välinen vuorovaikutus on paljon heikompi kuin yksilöiden vuorovaikutus lajin sisällä. Se on oletus, jota ekologiakirjallisuus tukee vahvasti - mutta ekologit ovat usein eri mieltä siitä, kuinka parhaiten määrittää lajien vuorovaikutuksen tiheys ja voimakkuus eri verkostoissa.

Tällaiset erot mallin oletuksissa eivät aina ole ongelma. "Usein matematiikka voi olla yllättävän anteeksiantavaa", Barabas sanoi. Tärkeää on ymmärtää, kuinka oletukset rajoittavat menetelmän hyödyllisyyttä ja tuloksena olevien ennusteiden tarkkuutta. Gaon yhtälöstä tulee vähemmän tarkka, kun lajien väliset vuorovaikutukset vahvistuvat. Tällä hetkellä malli toimii myös vain keskinäisen vuorovaikutuksen ekologisissa verkostoissa, joissa lajit hyödyttävät toisiaan, kuten mehiläiset ja kukat. Se ei toimi peto-saalisverkostoissa, jotka riippuvat erilaisista oletuksista. Mutta se voi silti koskea monia ymmärtämisen arvoisia ekosysteemejä.

Lisäksi elokuun julkaisun jälkeen tutkijat ovat jo keksineet kaksi tapaa tehdä laskentaa tarkemmin heterogeenisille ekosysteemeille. Ne sisältävät myös muun tyyppisiä vuorovaikutuksia ekosysteemissä, mukaan lukien petoeläin-saalissuhteet ja eräänlainen vuorovaikutus, jota kutsutaan kilpailudynamiikaksi.

Tämän yhtälön kehittäminen kesti 10 vuotta, Gao sanoi, ja vie vielä paljon enemmän, ennen kuin yhtälöt ennustavat tarkasti todellisen maailman ekosysteemien tulokset – vuosia, jotka ovat arvokkaita, koska interventioiden tarve näyttää pakottavalta. Mutta hän ei ole masentunut, ehkä siksi, kuten Barabas totesi, jopa perustavanlaatuiset mallit, jotka tarjoavat todisteen konseptista tai yksinkertaisesta ideasta, voivat olla hyödyllisiä. "Helpottaamalla tietyntyyppisten mallien analysointia… ne voivat auttaa, vaikka niitä ei käytettäisikään tekemään selkeitä ennusteita todellisille yhteisöille", Barabas sanoi.

Lenton suostui. "Kun kohtaat monimutkaisia ​​järjestelmiä suhteellisen tietämättömyyden asennosta, kaikki on hyvää", hän sanoi. "Olen innoissani, koska minusta tuntuu, että olemme todella menossa kohti sitä käytännön pistettä, että voimme todella tehdä paremmin."

Tiimi osoitti äskettäin mallin hyödyllisyyden soveltamalla sitä meriruohon entisöintiprojektin tietoihin Keski-Atlantilla, joka on peräisin vuodelta 1999. Tutkijat määrittelivät tietyn määrän meriruohoa, joka tarvitsi ennallistamista ekosysteemin elpymiseksi. Jatkossa Gao aikoo työskennellä ekologien kanssa mallin ajamiseksi Lake Georgella New Yorkissa, jota Rensselaer usein käyttää testipenkkinä.

Gaon toivo on, että jonain päivänä malli voi auttaa tekemään päätöksiä suojelu- ja restaurointitoimista peruuttamattomien vahinkojen estämiseksi. "Vaikka tiedämme, että järjestelmä on heikkenemässä", hän sanoi, "meillä on vielä aikaa tehdä jotain."