Úgy tűnik, a fizikusok mindenütt megtalálják a káosz jelenségét: a bolygók pályáján, az időjárási rendszerekben, a folyók örvényeiben. Közel három évtizeden keresztül az ökológusok ehhez képest meglepően ritkaságnak tartották a káoszt az élővilágban. Új elemzésazonban felfedi, hogy a káosz sokkal inkább elterjedt az ökoszisztémákban, mint azt a kutatók gondolták.
Tanya Rogers az ökoszisztémák káoszáról szóló legújabb tanulmányok tudományos irodalmát nézegette, amikor valami váratlant fedezett fel: több mint 25 éve senki sem publikált erről kvantitatív elemzést. „Ez elég meglepő volt” – mondta Rogers, a Santa Cruz-i Kaliforniai Egyetem kutató-ökológusa és az új tanulmány első szerzője. "Például: "Nem hiszem el, hogy ezt senki nem tette meg."
Ezért úgy döntött, hogy maga csinálja. Több mint 170 időfüggő ökoszisztéma-adat-készletet elemezve Rogers és munkatársai azt találták, hogy ezek harmadában káosz van jelen – ez közel háromszor nagyobb, mint a korábbi tanulmányok becslései. Sőt, felfedezték, hogy bizonyos organizmuscsoportok, mint például a planktonok, rovarok és algák, sokkal hajlamosabbak a káoszra, mint a nagyobb szervezetek, például a farkasok és a madarak.
„Ez valójában egyáltalán nem szerepelt az irodalomban” – mondta Stephan Munch, Santa Cruz evolúciós ökológusa és a tanulmány társszerzője. Eredményeik azt sugallják, hogy a sérülékeny fajok védelme érdekében lehetséges és szükséges összetettebb populációs modellek felépítése a védelmi politikák útmutatójaként.
Amikor a 19. században először ismerték el az ökológiát formális tudományként, az uralkodó feltevés az volt, hogy a természet egyszerű, könnyen érthető szabályokat követ, mint egy mechanikus óra, amelyet egymásba kapcsolt fogaskerekek hajtanak. Ha a tudósok meg tudnák mérni a megfelelő változókat, megjósolhatnák az eredményt: például több eső jobb almatermést jelentene.
A valóságban a káosz miatt „a világ sokkal vakondosabb” – mondta Sugihara György, a San Diego-i Scripps Institution of Oceanography kvantitatív ökológusa, aki nem vett részt az új kutatásban. A káosz az idő múlásával kiszámíthatóságot tükröz. Egy rendszerről azt mondjuk, hogy stabil, ha nagyon keveset változik hosszú időn keresztül, és véletlenszerű, ha ingadozásai előre nem láthatók. Ám egy kaotikus rendszer – amelyet az eseményekre adott nemlineáris válaszok uralnak – rövid időn keresztül előre jelezhető, de egyre drámaibb elmozdulásoknak van kitéve, minél távolabb haladunk.
„Gyakran az időjárást hozzuk fel a kaotikus rendszer példájaként” – mondta Rogers. A nyílt óceán feletti nyári szellő valószínűleg nem befolyásolja a holnapi előrejelzést, de megfelelő körülmények között elméletileg néhány héten belül hurrikánt küldhet a Karib-térségbe.
Az ökológusok az 1970-es években kezdtek flörtölni a káosz fogalmával, amikor a matematikai biológus Robert May kifejlesztett egy forradalmi eszközt, a logisztikai térképet. Ez az elágazó diagram (amelyet megjelenése miatt néha pókhálós cselekménynek is neveznek) megmutatja, hogyan kúszik be a káosz a népességnövekedés egyszerű modelljébe és más rendszerekbe az idő múlásával. Mivel az élőlények túlélését olyan kaotikus erők befolyásolják, mint az időjárás, az ökológusok azt feltételezték, hogy a természetben a fajok populációi is gyakran kaotikusan emelkednek és csökkennek. A logisztikai térképek gyorsan elterjedtek a területen, mivel az elméleti ökológusok megpróbálták megmagyarázni a populáció ingadozásait olyan szervezetekben, mint a lazac és a vörös árapályt okozó algák.
A 90-es évek elejére az ökológusok elegendő idősoros adathalmazt gyűjtöttek össze a fajok populációiról és elegendő számítási teljesítményt ahhoz, hogy teszteljék ezeket az elképzeléseket. Csak egy probléma volt: a káosz úgy tűnt, nincs ott. A vizsgált populációknak csak körülbelül 10%-a tűnt kaotikus változásnak; a többi vagy stabilan cikázott, vagy véletlenszerűen ingadozott. Az ökoszisztéma-káosz elméletei az 1990-es évek közepére kiestek a tudományos divatból.
Rogers, Munch és Santa Cruz-i matematikus kollégájuk új eredményei Bethany Johnson, azonban azt sugallják, hogy a régebbi mű nem találta meg azt, ahol a káosz rejtőzik. A káosz kimutatására a korábbi tanulmányok egyetlen dimenziójú modelleket alkalmaztak - egy faj populációjának időbeli méretét. Nem vették figyelembe a rendetlen valós tényezők, például a hőmérséklet, a napfény, a csapadék és a más fajokkal való kölcsönhatások megfelelő változásait, amelyek hatással lehetnek a populációkra. Egydimenziós modelljeik azt mutatták meg, hogyan változtak a populációk, de azt nem, hogy miért változtak.
De Rogers és Munch „ésszerűbb módon kereste a [káoszt]” – mondta Aaron King, a Michigani Egyetem ökológia és evolúcióbiológia professzora, aki nem vett részt a vizsgálatban. Három különböző összetett algoritmus segítségével elemezték a különböző organizmusok populációinak 172 idősorát, mint egy hatdimenziós modellt, teret engedve a nem meghatározott környezeti tényezők lehetséges befolyásának. Ily módon ellenőrizni tudták, hogy a populációváltások egydimenziós reprezentációjába beépülhetnek-e észrevétlen kaotikus minták. Például a több csapadék kaotikusan összefügghet a népesség növekedésével vagy csökkenésével, de csak több éves késéssel.
Rogers, Johnson és Munch fedezte fel a fajok mintegy 34%-ának populációs adataiban a nemlineáris kölcsönhatások jeleit, ami lényegesen nagyobb káoszt jelent, mint amit korábban észleltek. Az adatsorok többségében a fajok populációváltozásai eleinte nem tűntek kaotikusnak, de a számok viszonya a mögöttes tényezőkhöz igen. Nem tudták pontosan megmondani, hogy mely környezeti tényezők felelősek a káoszért, de bármi is volt, ujjlenyomataik rajta voltak az adatokon.
A kutatók fordított összefüggést is feltártak egy szervezet testmérete és a populációdinamika kaotikus jellege között. Ennek oka lehet a generációs idő különbsége, mivel a gyakrabban szaporodó kis szervezeteket gyakrabban érintik a külső változók. Például a körülbelül 15 órás generációkkal rendelkező kovamoszatok populációi sokkal nagyobb káoszt mutatnak, mint a csaknem ötéves generációkkal rendelkező farkasfalkák.
Ez azonban nem feltétlenül jelenti azt, hogy a farkaspopulációk eredendően stabilak. „Az egyik lehetőség az, hogy nem látunk ott káoszt, mert egyszerűen nincs elég adatunk ahhoz, hogy elég hosszú időre visszamenjünk ahhoz, hogy lássuk” – mondta Munch. Valójában ő és Rogers azt gyanítják, hogy az adataik korlátai miatt modelljeik alábecsülik, hogy mekkora mögöttes káosz van jelen az ökoszisztémákban.
Sugihara úgy gondolja, hogy az új eredmények fontosak lehetnek a természetvédelem szempontjából. A káosz megfelelő elemeit tartalmazó továbbfejlesztett modellek jobban előre jelezhetik például a mérgező algavirágzást, vagy nyomon követhetik a halászat populációit a túlhalászás megelőzése érdekében. A káosz figyelembe vétele abban is segíthet a kutatóknak és a természetvédelmi menedzsereknek, hogy megértsék, milyen messze lehetséges a populáció méretének értelmes előrejelzése. „Úgy gondolom, hogy hasznos, ha a kérdés az emberek tudatában van” – mondta.
Mindazonáltal ő és King óva int attól, hogy túlságosan higgyenek ezekben a káosztudatos modellekben. „A káosz klasszikus fogalma alapvetően egy stacionárius fogalom” – mondta King: Arra a feltételezésre épül, hogy a kaotikus ingadozások valamely megjósolható, stabil normától való eltérést jelentenek. Az éghajlatváltozás előrehaladtával azonban a legtöbb valós ökoszisztéma már rövid távon is egyre instabilabbá válik. Még sok dimenziót is figyelembe véve a tudósoknak tudatában kell lenniük ennek az állandóan változó alapvonalnak.
Ennek ellenére a káosz figyelembevétele fontos lépés a pontosabb modellezés felé. „Szerintem ez nagyon izgalmas” – mondta Munch. „Ez csak ellentétes azzal, ahogy jelenleg az ökológiai dinamikáról gondolkodunk.”
