Az egyszerűbb matematika megjósolja, hogy az ökoszisztémák milyen közel állnak az összeomláshoz

Elfuserált poszméhek, mint az apró narancssárga bárányok, repkednek az argentin erdő aljnövényzetét beborító liliomok között, megtermékenyítve a virágokat és táplálékot szerezve maguknak. Ban ben ősi szénás rét Angliában a táncos legyek – inkább terjedelmes szúnyogoknak, mint balerináknak tűnnek – virágporral vadásznak virágokra, figyelmen kívül hagyva a közeli nektárban gazdag virágokat. Tovább egy sziklás sziget a Seychelle-szigeteken, a méhek és a molyok gondosan szedik virágaikat; a beporzók száma és típusai befolyásolják, hogy mely növények tapadnak a sziklákhoz.

A fajok közötti effajta kölcsönhatások, amelyeket a terepökológusok kötelességtudóan rögzítenek megfigyeléseik során, külön-külön véve jelentéktelennek tűnhetnek. Összességében azonban leírják az ökoszisztémát alkotó fajok kölcsönhatásainak részletes dinamikáját.

Ezek a dinamikák kritikusak. Sok természeti környezet hihetetlenül összetett rendszer, amely az egyik külön állapotból a másikba való szinte visszafordíthatatlan átmenet „fordulópontja” közelében ingadozik. Minden bomlasztó sokk – amelyet erdőtüzek, viharok, környezetszennyezés és erdőirtás, de a fajok elvesztése is okoz – megzavarja az ökoszisztéma stabilitását. A fordulóponton túl a helyreállítás gyakran lehetetlen.

Olyan ez, mint egy pohár vizet megbillenteni – magyarázta Barabas György, elméleti ökológus a svédországi Linköping Egyetemen. „Ha egy kicsit megnyomjuk, vissza fog térni” – mondta. "De ha túl messzire toljuk, felborul." Miután az üveg felborult, egy kis nyomás nem tudja visszaállítani az üveget függőleges helyzetbe, vagy újra feltölteni vízzel.

Egyre sürgetőbb annak megértése, hogy mi határozza meg ezeket a környezeti fordulópontokat és azok időzítését. Egy széles körben idézett 2022 vizsgálat megállapították, hogy az Amazonas esőerdői a száraz gyepekké való átmenet szélén billegnek, mivel az erdőirtás és az éghajlatváltozás gyakoribbá és súlyosabbá teszi a szárazságot nagyobb területeken. Ennek az átmenetnek a hatásai globálisan átgyűrűzhetnek más ökoszisztémákra is.

Az ökoszisztémák matematikai modellezésében a közelmúltban történt áttörés első ízben teszi lehetővé annak pontos becslését, hogy az ökoszisztémák milyen közel vannak a katasztrofális fordulópontokhoz. A felfedezés alkalmazhatósága még mindig élesen korlátozott, de Jianxi Gao, a Rensselaer Polytechnic Institute kutatója, aki a kutatást vezette, abban reménykedik, hogy idővel a tudósok és a döntéshozók képesek lesznek azonosítani a leginkább veszélyeztetett ökoszisztémákat, és személyre szabni a beavatkozásokat.

"Most van egy számod"

A matematikai modellek elvileg lehetővé teszik a tudósok számára, hogy megértsék, mi kell ahhoz, hogy egy rendszer megbillenjen. Ezt az előrejelzési képességet gyakran tárgyalják az éghajlati modellek és a felmelegedés hatása olyan nagy geofizikai rendszerekre, mint például az olvadó grönlandi jégtakaró. De az olyan ökoszisztémák, mint az erdők és a rétek kibillenését vitathatatlanul nehezebb előre jelezni a rendkívül összetett kölcsönhatások miatt. Tim Lenton, aki az angliai Exeteri Egyetemen az éghajlati fordulópontokon dolgozik.

Számítások ezreire lehet szükség ahhoz, hogy egy rendszerben minden faj jellegzetes kölcsönhatásait rögzítsük – mondta Barabas. A számítások rendkívül bonyolulttá teszik a modelleket, különösen az ökoszisztéma méretének növekedésével.

Tavaly augusztusban Természetökológia és evolúció, Gao és kollégáinak nemzetközi csapata megmutatta, hogyan lehet több ezer számítást kidolgozni csak egybe az összes kölcsönhatást egyetlen súlyozott átlagba összecsukva. Ez az egyszerűsítés csak néhány kulcsfontosságú meghajtóra csökkenti a félelmetes bonyolultságot.

„Egy egyenlet alapján mindent tudunk” – mondta Gao. „Azelőtt van egy érzésed. Most már van egy számod."

Olyan korábbi modellekre támaszkodtak, amelyek megmondták, hogy egy ökoszisztéma esetleg bajban van-e korai figyelmeztető jelzések, mint például a sokk utáni felépülési ráta csökkenése. A korai figyelmeztető jelzések azonban csak általános érzékelést adhatnak arról, hogy egy ökoszisztéma közeledik egy szikla széléhez, mondta. Egbert van Nes, a holland Wageningeni Egyetem ökológusa, aki matematikai modellekre specializálódott. A Gao és munkatársai által készített új egyenlet korai figyelmeztető jelzéseket is használ, de pontosan meg tudja mondani, milyen közel állnak az ökoszisztémák a billenéshez.

Még két ökoszisztéma sem, amelyek ugyanazokat a figyelmeztető jeleket mutatják, nem feltétlenül vannak egyformán közel az összeomlás széléhez. Gao csapata ezért egy skálázási tényezőt is kifejlesztett, amely jobb összehasonlítást tesz lehetővé.

A modellezés új megközelítésének próbájaként a kutatók 54 valódi ökoszisztémáról gyűjtöttek adatokat egy Online adatbázis terepkutatási megfigyelések a világ minden tájáról – beleértve az argentin erdőket, az angliai réteket és a Seychelle-szigetek sziklás szikláit. Ezután végigfuttatták ezeket az adatokat az új modellen és a régebbi modelleken is, hogy megbizonyosodjanak arról, hogy az új egyenlet megfelelően működik. A csapat megállapította, hogy modelljük a homogén ökoszisztémák esetében működik a legjobban, mivel az ökoszisztémák változatosabbá válásával egyre kevésbé pontosak.

A feltevések tesztelése

Barabas rámutatott, hogy az újonnan levezetett egyenlet azon a feltevésen alapul, hogy a fajok közötti kölcsönhatások sokkal gyengébbek, mint a fajon belüli egyedek kölcsönhatásai. Ezt az ökológiai szakirodalom erősen alátámasztott feltevés – de az ökológusok gyakran nem értenek egyet azzal kapcsolatban, hogy miként lehetne a legjobban meghatározni a fajok kölcsönhatásainak gyakoriságát és erősségét a különböző hálózatokban.

A modell feltételezései közötti ilyen eltérések nem mindig jelentenek problémát. „A matematika gyakran meglepően megbocsátó tud lenni” – mondta Barabas. A fontos annak megértése, hogy a feltételezések hogyan korlátozzák a módszer hasznosságát és a kapott előrejelzések pontosságát. A Gao-egyenlet kevésbé pontos, ahogy a fajok közötti kölcsönhatások erősödnek. Jelenleg a modell is csak a kölcsönös kölcsönhatások ökológiai hálózatain működik, amelyekben a fajok előnyösek egymásnak, ahogyan a méhek és a virágok teszik. Nem működik a ragadozó-zsákmány hálózatoknál, amelyek különböző feltételezésektől függenek. De még mindig sok olyan ökoszisztémára vonatkozhat, amelyet érdemes megérteni.

Sőt, az augusztusi publikáció óta a kutatók már két módszert is kitaláltak a számítás pontosabbá tételére heterogén ökoszisztémák esetén. Más típusú interakciókat is beépítenek egy ökoszisztémán belül, beleértve a ragadozó-zsákmány kapcsolatokat és a kompetitív dinamikának nevezett interakciót.

10 évbe telt ennek az egyenletnek a kidolgozása, mondta Gao, és még sokkal több kell ahhoz, hogy az egyenletek pontosan megjósolják a valós ökoszisztémák kimenetelét – ez az évek értékesek, mert sürgetőnek tűnik a beavatkozások szükségessége. De nem csüggedt, talán azért, mert – ahogy Barabas megjegyezte – még az alapmodellek is hasznosak lehetnek, amelyek a koncepció bizonyítékát, vagy egy ötlet egyszerű szemléltetését szolgálják. „Azáltal, hogy megkönnyítik bizonyos típusú modellek elemzését… akkor is segíthetnek, ha nem használják őket explicit előrejelzések készítésére valós közösségek számára” – mondta Barabas.

Lenton egyetértett. „Amikor összetett rendszerekkel nézünk szembe, viszonylagos tudatlanságból, bármi jó” – mondta. „Izgatott vagyok, mert úgy érzem, hogy nagyon közeledünk a gyakorlati pont felé, hogy valóban jobbak legyünk.”

A csapat a közelmúltban kimutatta a modell hasznosságát egy 1999-ig visszanyúló, az Atlanti-óceán közepén zajló tengerifű-helyreállítási projekt adataira alkalmazva. A kutatók meghatározták a tengerifű konkrét mennyiségét, amelyet az ökoszisztéma helyreállításához helyre kell állítani. A jövőben Gao azt tervezi, hogy ökológusokkal együttműködve futtatja a modellt a New York-i Lake George-on, amelyet Rensselaer gyakran használ próbaágyként.

Gao abban reménykedik, hogy egy nap a modell segíthet a visszafordíthatatlan károk megelőzésére irányuló megőrzési és helyreállítási erőfeszítésekkel kapcsolatos döntésekben. "Még ha tudjuk is, hogy a rendszer hanyatlik" - mondta -, akkor is van időnk tenni valamit.