Gli ecologisti lottano per controllare le "specie chiave" | Rivista Quanti

La prima settimana di Anne Salomon come studentessa laureata nel 2001 non fu quella che aveva previsto. Mentre altri nuovi studenti si dirigevano alle lezioni introduttive, Salomon è stato portato via in furgone e poi in motoscafo all'isola di Tatoosh, che si trova appena al largo della punta nordoccidentale della penisola olimpica di Washington. Tra le pozze di marea di quest'isola isolata, Salomon ha scrutato la rete di vita sulle rocce: stelle marine ocra, cirripedi, cozze, lumache e alghe assortite che hanno assunto forme che ricordano la lattuga, il muschio e il pluriball.

Una visita a questo affioramento colpito dalle onde era un rito di passaggio per i colleghi di laboratorio di Bob Paine. Decenni prima, Paine, armato di un piede di porco, aveva per primo fatto leva sul viola Pisaster stelle marine - il principale predatore dell'ecosistema - dalle pozze di marea nella vicina Makah Bay e le scagliò in mare in modo che potesse scoprire quali forze organizzavano la comunità di creature aggrappate alle rocce. I risultati influenzerebbero profondamente l’ecologia, la conservazione e la percezione pubblica della natura. Dopo tre anni senza stelle marine, le 15 specie originariamente presenti nelle piscine sono scese a otto. Dopo 10 anni, una monocoltura di cozze dominava la riva.

I risultati dell'esperimento di Paine, pubblicato in Il naturalista americano nel 1966, dimostrò che una singola specie può avere un’enorme influenza su una comunità ecologica. Quando Paine condivise le sue scoperte con il paleoecologista e ambientalista Estella Leopoldo, ha suggerito che un concetto potente meritasse un nome evocativo. In un articolo successivo, ha designato il Pisaster stella marina una “specie chiave di volta”, riferendosi a una chiave di volta architettonica: la pietra a forma di cuneo in cima a un arco che, una volta inserita, impedisce alla struttura di crollare. "Bob aveva una mente narrativa piuttosto poetica", ha detto Maria Potenza, professore emerito dell'Università della California, Berkeley, che studiò con Paine. (Paine è morto nel 2016.)

Salomon, Power e altri studenti del Paine hanno dedicato il loro lavoro di laurea al perfezionamento del concetto chiave di volta e alla definizione matematica della “chiave di volta” ecologica di una specie. Ma come le stelle marine che si posano sulle rocce, la metafora ha preso piede nell’immaginario scientifico e pubblico. Molti ecologisti e ambientalisti persero di vista il significato originale che Paine aveva dato al termine e iniziarono a considerare ogni specie importante come una chiave di volta. Infatti, un’analisi pubblicata lo scorso anno ha rilevato che oltre 200 specie sono state contrassegnate come chiavi di volta. L’uso dell’etichetta è diventato così ampio che alcuni ecologisti temono che abbia perso ogni significato.

Gli ecologisti oggi stanno lavorando per perfezionare il significato di “specie chiave” e sostengono un’applicazione più oculata. Con un’identificazione più rigorosa delle specie chiave, i politici possono identificare e salvaguardare meglio le specie che hanno un impatto sproporzionato sugli ecosistemi. E nuove applicazioni nella medicina microbica potrebbero aiutare i biologi a quantificare in modo più preciso l’influenza di una specie chiave di volta, il che potrebbe portare benefici non solo agli ecosistemi ma anche alla salute umana.

Essenzialità della specie

Nei decenni prima che Paine conducesse il suo ormai famoso esperimento, gli ecologisti convergevano sulla teoria secondo cui le specie che condividono un habitat erano collegate in una rete piramidale di chi mangia chi. In cima c’erano i predatori rari, che mangiavano predatori minori o erbivori, che a loro volta consumavano abbondanti “produttori” come piante o alghe, che venivano nutrite direttamente dalla luce solare e dalla fotosintesi. La stabilità della rete, pensavano gli ecologisti, era controllata dal basso verso l'alto dalla disponibilità dei produttori.

Ma negli anni ’1960 questo modo di pensare stava cambiando. Le comunità potrebbero anche essere fortemente influenzate dai predatori? Forse la vegetazione ha dominato gli ecosistemi non perché i produttori limitassero altre specie, ma perché i predatori impedivano agli erbivori di pascolare eccessivamente. L'esperimento di Paine è stato uno dei primi a dimostrare in modo convincente tale controllo dall'alto verso il basso in tempo reale.

Poi l'ecologista Giacomo Este hanno documentato come le lontre marine nelle foreste di alghe al largo della California abbiano svolto un ruolo chiave simile a quello delle stelle marine nelle pozze di marea di Paine. In un articolo del 1974 pubblicato in Scienze, descrisse come la lontra marina, un'unica specie predatrice, strutturato la diversità della comunità della foresta di alghe. Le lontre marine tenevano sotto controllo i ricci di mare erbivori; senza i predatori, i ricci di mare pascolavano eccessivamente e spazzavano via l’intera serie di specie dipendenti dalle alghe.

Questi studi e l'idea chiave vennero alla ribalta nello stesso momento in cui stava emergendo la coscienza ambientale dell'America. Nel 1973 il Congresso approvò l’Endangered Species Act un approccio incentrato sulla specie alla conservazione della fauna selvatica. L’idea che ripristinare la popolazione di una singola specie – una chiave di volta, forse – potrebbe garantire la biodiversità di una comunità ecologica in linea con questo nuovo quadro giuridico.

Di conseguenza, il concetto di specie chiave ha acquisito vita propria. Scienziati e ambientalisti applicavano sempre più il termine a qualsiasi specie considerata importante, descrivendo in modo errato l'idea originale di Paine. I principali predatori come i lupi e gli squali, la cui assenza aveva drastici effetti a cascata, erano chiaramente le chiavi di volta. Lo stesso vale per gli ingegneri ecosistemici che alterano l'habitat, come castori, picchi, bisonti e cani della prateria. Ma ben presto apparvero anche riferimenti scientifici agli erbivori chiave di volta, alle piante chiave di volta, agli impollinatori chiave di volta e persino agli agenti patogeni chiave di volta. I gruppi di specie considerati importanti venivano etichettati come “corporazioni chiave di volta”.

Mentre la popolarità del termine decollava, gli ecologisti lavorarono silenziosamente su una definizione matematica delle relazioni tra i nodi delle specie in una rete ecologica. Sull'isola di Tatoosh, gli studenti di Paine hanno continuato a esaminare le pozze di marea, aggiungendo o eliminando specie per vedere quali erano più importanti per la comunità. Effettuando misurazioni accurate nel corso di molti anni, hanno quantificato la capacità relativa di ciascun erbivoro di influenzare la capacità delle piccole alghe di mettere radici - una misurazione che Paine chiamò "forza di interazione pro capite" e che in seguito divenne nota come "chiave di volta". Se un organismo avesse un’elevata chiave di volta, ogni individuo avrebbe un effetto sproporzionatamente grande sul suo ecosistema.

Tuttavia, la maggior parte delle persone non seguiva questa nuova matematica ecologica. Negli anni '1990, alcuni ecologisti si erano allarmati riguardo al fatto che l'uso eccessivo delle “specie chiave” stava trasformando e sminuendo il significato del concetto. Era giunto il momento di chiarirlo. Nel dicembre 1994, a Hilo, alle Hawaii, si tenne una piccola conferenza di ecologisti – alcuni dei quali si autoidentificarono come “poliziotti chiave di volta” – per sviluppare una definizione consensuale. Seguendo i calcoli di Paine e Power, hanno concordato che “una specie chiave è una specie il cui impatto sulla sua comunità o ecosistema è ampio, e molto più ampio di quanto ci si aspetterebbe dalla sua abbondanza”.

Secondo questa definizione, il salmone non è una specie fondamentale anche se è ecologicamente importante. "Se si toglie un singolo salmone da un fiume, l'effetto non sarà enorme", ha detto Salomon. Al contrario, se si estrae una stella marina da un pezzo di una zona intercotidale, “avrà un grande effetto”.

La convention di Hilo è stata uno sforzo meritevole. Ma ciò non ha impedito ai ricercatori di nominare nuove chiavi di volta nei decenni successivi. "Il problema è che non esistono standard a cui devono attenersi i ricercatori nel designare il loro organismo di studio come chiave di volta", ha affermato Bruce Menge, un ecologista comunitario presso l'Oregon State University e un altro ex studente laureato del Paine. “Chiunque è libero di suggerire, discutere o speculare sul fatto che la propria specie sia una chiave di volta”. E in effetti, una nuova analisi ha recentemente rivelato fino a che punto il concetto si è spinto oltre.

Siamo tutti chiavi di volta qui

Nel 2021, Ishana Shukla era una studentessa laureata presso l'Università di Victoria che cercava di analizzare i tratti delle specie chiave di volta. "Ho pensato ingenuamente che potevi semplicemente cercare su Google un elenco di specie chiave di volta e ne sarebbe uscito un elenco adorabile", ha detto. Quando non riuscì a trovarne uno, pensò di crearne uno proprio. Ha estratto più di 50 anni di dati pubblicati, comprendendo 157 studi, e ha identificato 230 specie considerate fondamentali. Vide che con l’avanzare della conoscenza ecologica “la funzione della chiave di volta cominciò ad espandersi sempre di più”.

Utilizzando una tecnica analitica che organizza gli elementi in cluster correlati, lei e i suoi coautori trovato cinque tipi di specie chiave di volta: grandi carnivori vertebrati come squali e lupi; mangiatori di invertebrati come il riccio di mare dalla spina lunga e la farfalla cavolaia; specie di fascia media che sono sia predatrici che predatrici, come l'orata e lo scazzone; invertebrati che svolgono ruoli vitali nelle reti alimentari come i gamberetti settentrionali e le api mellifere; e piccoli mammiferi che modificano gli habitat come il ratto dei ghiacci e il cane della prateria dalla coda nera.

"Abbiamo identificato tutta una serie di elementi chiave che non necessariamente ricevono azioni di conservazione o attenzione da parte della conservazione, ma possiamo vedere che sono estremamente importanti per il nostro ecosistema", ha affermato shukla, ora studente di dottorato presso l'Università della California, Davis.

"Il messaggio più importante di questo studio è che le specie chiave di volta non sono tutte uguali", ha affermato Diane Srivastava, un ecologo comunitario dell'Università della British Columbia che, mentre lavorava in Costa Rica, ha identificato le larve di libellula come specie chiave di volta nell'acqua raccolta all'interno delle foglie di bromelia. “La percezione pubblica di una specie fondamentale è che si tratti di grandi mammiferi terrestri… ma in realtà la maggior parte di loro non lo è. La maggior parte delle specie chiave di volta sono acquatiche. Molti di loro non sono predatori. C'è un buon numero di invertebrati.

Tuttavia, l'articolo non ha cercato di valutare se queste specie fossero vere chiavi di volta matematiche o meno. Invece, ha detto Menge, Shukla e i suoi collaboratori hanno semplicemente riassunto il modo in cui il termine è stato usato e abusato. In questo modo la ricerca ha sottolineato, anziché complicare, "l'uso continuativo e liberale del termine 'specie chiave' per riferirsi a qualsiasi forte interattore che abbia conseguenze indirette", ha affermato.

Nessuna delle categorie di Shukla includeva i microbi. In effetti, Paine e altri non pensavano affatto ai microrganismi nei loro esperimenti. Eppure la quantificazione della chiave di volta è diventata oggetto di una nuova linea di ricerca in microbiologia medica.

La chiave di volta nel tuo intestino

I microbiomi coinvolgono da centinaia a migliaia di specie microbiche che interagiscono in un ecosistema complesso. Allora perché non dovrebbero avere anche specie chiave di volta?

"Presumibilmente, se esiste una specie chiave di volta, allora il sistema potrebbe essere piuttosto fragile", ha detto Yang-Yu Liu, che studia il microbioma al Brigham and Women's Hospital e alla Harvard Medical School. Ad esempio, se gli antibiotici uccidessero il microbiota chiave dell’intestino, l’ecosistema microbico potrebbe collassare e causare complicazioni alla salute. "Ecco perché sono interessato a identificare le specie chiave delle comunità microbiche", ha affermato.

Non è tecnicamente o eticamente possibile rimuovere le specie dai microbiomi umani una per una, nello stesso modo in cui si potrebbero strappare le stelle marine dalle rocce. Invece, Liu e i suoi colleghi rivolto all'IA in un articolo pubblicato a novembre nel Ecologia ed evoluzione della natura. Utilizzando i dati provenienti dai database del microbioma intestinale, orale, del suolo e dei coralli, hanno addestrato un modello di apprendimento profondo per classificare l’importanza delle specie nelle comunità microbiche osservando cosa è successo alla comunità dopo che ciascuna specie è stata rimossa dal suo microbioma modello, quantificando essenzialmente la chiave di volta. -ness di ciascun microbo.

Nell'analisi di Liu, "non abbiamo trovato nessuna specie con una chiave di volta molto ampia", ha detto. Il valore più alto calcolato è stato di circa 0.2. Con la loro definizione di chiave di volta che varia tra zero e 1, “0.2 non è davvero un grande numero”, ha detto.

Ciò non significa che non ci siano chiavi di volta nelle comunità microbiche. Liu ritiene che queste comunità abbiano livelli molto elevati di ridondanza funzionale, il che significa che esistono più specie possono svolgere ruoli ecologici simili e potrebbero quindi essere intercambiabili. E alcune specie possono avere un'elevata chiave di volta non in senso assoluto ma rispetto al microbioma di una determinata persona, che è altamente personalizzato. "Quelle specie sono piuttosto importanti, nel senso che se le rimuovi, il sistema potrebbe cambiare molto", ha detto Liu.

In questo senso, nelle comunità microbiche, il concetto di specie chiave dipende dal contesto. Una chiave di volta in un microbioma potrebbe non esserlo in un altro. “Credo che questo aspetto non sia stato molto apprezzato dagli ecologisti”, ha detto Liu.

Gli ecologisti sono ora alle prese con questa natura contestuale delle specie chiave al di là dei microbi e si stanno chiedendo se, e come, il concetto abbia importanza nella realtà della perdita di biodiversità.

Rivalutare la metafora

Menge ha dedicato la sua carriera alla comprensione della struttura ecologica della comunità, continuando a porre l'accento sulle coste rocciose dal suo lavoro di laurea con Paine. Ha scoperto che l'iconica stella viola di Paine non è una specie fondamentale ovunque. Ha una chiave di volta più forte in alcuni luoghi, ad esempio nelle pozze di marea battute più intensamente dalle onde. "In effetti, nei luoghi più riparati, la stella marina non è affatto una chiave di volta", ha detto.

Anche Paine arrivò ad accettare questo. In Alaska, dove la cozza preferita dalle stelle viola più meridionali è assente, il predatore è "solo un'altra stella marina", ha ricordato Power dicendo Paine.

Il fatto che le specie chiave di volta dipendano dal contesto e che varino nello spazio e nel tempo “non viene considerato negli studi a breve termine”, ha affermato Menge.

Tuttavia, Srivastava non è pronto a scartare il concetto. Sebbene l’attenzione alle chiavi di volta e alle singole specie possa aver distratto i politici e gli ambientalisti da approcci più olistici alla conservazione, la protezione e il ripristino di una singola specie a volte possono avvantaggiare molte altre specie in un ecosistema. “Ciò non significa che dobbiamo affrettarci a salvare le specie chiave e ignorare la diversità del sistema nel suo insieme”, ha affermato.

Srivastava ha anche sottolineato che le chiavi di volta non sono l’unico modo per stabilizzare i sistemi. “Gli ecologisti ora pensano che alcune delle interazioni più importanti in termini di stabilità siano in realtà interazioni relativamente deboli”, ha detto. “Se hai un numero elevato di specie che interagiscono debolmente, è un po' come avere molti picchetti che fissano la tenda durante una tempesta di vento. Dissipa alcune delle perturbazioni.

Menge è ampiamente d'accordo. In un contesto di perdita globale di specie, l’obiettivo principale dovrebbe essere la protezione degli habitat e della biodiversità, non delle singole specie, ha affermato. "Se queste due cose fossero state fatte in un numero sufficiente di posti, allora non sono sicuro che l'idea della specie chiave di volta fosse così critica."

Forse una chiave di volta conta più delle altre. In uno degli ultimi articoli di Paine, pubblicato nel 2016 il giorno della sua morte, lui e l'ecologista Boris Verme ha proposto che gli esseri umani siano un “specie iperkeystone” – uno che esercita effetti profondi attraverso lo sfruttamento di altre chiavi di volta.

Gli esseri umani non possono essere rimossi dal sistema come le stelle marine per quantificare il nostro impatto. Ma possiamo imparare a ridurre la nostra centralità attraverso pratiche e politiche di conservazione efficaci, ha affermato Salomon. “Abbiamo anche la capacità di imparare ad amministrare noi stessi”.

Questa è una delle ragioni per cui gli ecologisti continuano a ridefinire e riconsiderare le specie chiave. Il potente simbolo non andrà da nessuna parte, ma con una definizione migliore, le persone potrebbero imparare come applicarlo meglio.

Paine lo sapeva. A Salomon piace condividere le sue parole con i suoi studenti: “Non puoi farcela per ignoranza. Devi sapere cosa fanno le specie, chi mangiano, quale ruolo svolgono queste specie di prede. Quando lo sai, puoi prendere alcune decisioni intelligenti.