Introduzione
Più di quarant'anni fa, gli ecologisti sul campo si sono proposti di quantificare la diversità degli alberi su un terreno boscoso sull'isola di Barro Colorado a Panama, uno dei tratti di foresta più intensamente studiati del pianeta. Cominciarono a contare ogni albero con un tronco più largo di un centimetro. Hanno identificato le specie, misurato i tronchi e calcolato la biomassa di ogni individuo. Hanno messo delle scale sugli alberi, hanno esaminato gli alberelli e hanno registrato tutto fogli di calcolo tentacolari.
Osservando i dati accumulati anno dopo anno, hanno iniziato a notare qualcosa di strano. Con più di 300 specie, la diversità degli alberi sulla minuscola isola di 15 chilometri quadrati era sbalorditiva. Ma anche la distribuzione degli alberi tra quelle specie era fortemente asimmetrica, con la maggior parte degli alberi appartenenti solo a poche specie.
Da quei primi studi, quel modello troppo imbottito e altamente irregolare è stato visto ripetutamente negli ecosistemi di tutto il mondo, in particolare nelle foreste pluviali. L'ecologo Stefano Hubbell dell'Università della California, Los Angeles, che ha fatto parte del team dietro i sondaggi Barro Colorado, stima che meno del 2% delle specie arboree in Amazzonia rappresenti la metà di tutti i singoli alberi, il che significa che il 98% delle specie sono rari.
Una biodiversità così elevata va contro le previsioni fatte da una delle principali teorie dell'ecologia, che afferma che in un ecosistema stabile, ogni nicchia o ruolo dovrebbe essere occupato da una specie. Teoria della nicchia suggerisce che non ci sono abbastanza nicchie per consentire a tutte le specie che gli ecologi hanno visto di esistere stabilmente. La competizione per le nicchie tra specie simili avrebbe dovuto far estinguere le rarità.
Una nuova carta da modellare ecologica in Natura by James O'Dwyer ed Kenneth Jops dell'Università dell'Illinois, Urbana-Champaign spiega almeno in parte questa discrepanza. Hanno scoperto che le specie che dovrebbero apparentemente essere concorrenti testa a testa possono condividere un ecosistema se i dettagli delle loro storie di vita - come quanto tempo vivono e quanti figli hanno - si allineano nel modo giusto. Il loro lavoro aiuta anche a spiegare perché uno dei modi più efficaci per modellare le ecologie spesso arriva a risultati accurati, anche se sorvola su quasi tutto ciò che sappiamo sul funzionamento degli organismi.
Introduzione
Nel 2001, la biodiversità paradossalmente elevata sull'isola di Barro Colorado ispirò Hubbell proporre l'innovativo teoria neutrale dell'ecologia. La teoria dell'ecologia tradizionale sottolineava la competizione per le nicchie tra le specie. Ma Hubbell ha sottolineato che le specie potrebbero non avere molta importanza in quell'equazione perché, in effetti, gli individui competono per le risorse anche con i membri della propria specie. Ha suggerito che i modelli di diversità negli ecosistemi potrebbero essere in gran parte il prodotto di processi casuali.
Per una teoria che si occupava di biodiversità, la teoria neutrale di Hubbell era scarsa. Ha ignorato le variazioni della durata della vita, le stranezze nutrizionali e altri dettagli che distinguono una specie dall'altra. Nei modelli basati sulla teoria, ogni individuo in un ecosistema teorico è identico. Una volta che l'orologio si avvia, l'ecosistema si evolve in modo stocastico, con individui che superano la concorrenza e si sostituiscono a vicenda in modo casuale. La teoria era completamente in contrasto con gli approcci all'ecologia basati sulle specie e provocò un appassionato dibattito tra gli ecologi perché sembrava così controintuitivo.
Eppure, sorprendentemente, con il progredire delle passeggiate casuali nei modelli neutri, hanno riprodotto le caratteristiche chiave di ciò che Hubbell e i suoi colleghi hanno visto nei loro dati dall'isola di Barro Colorado e ciò che altri hanno visto altrove. In questa modellazione che quasi perversamente non riconosce differenze, ci sono lampi del mondo reale.
Quella tensione tra i modelli e la realtà ha interessato a lungo O'Dwyer. Perché la teoria neutrale sembrava funzionare così bene? C'era un modo per portare informazioni su come funzionano le specie per ottenere risultati che potrebbero sembrare ancora più realistici?
Una delle cose che rende attraenti i modelli neutri, ha detto O'Dwyer, è che ce ne sono davvero universalità profonde tra tanti esseri viventi. Sebbene le specie animali non siano identiche, sono notevolmente simili a livello, diciamo, del sistema circolatorio. Gli stessi numeri riguardanti la fisiologia ricorrono ripetutamente negli animali e nelle piante, riflettendo forse i vincoli della loro storia evolutiva condivisa. Secondo un principio chiamato legge di Kleiber, ad esempio, il tasso metabolico di un animale generalmente aumenta con la sua taglia, scalando come una legge di potenza - la stessa legge di potenza, indipendentemente dalla specie. (Sono state offerte diverse teorie sul motivo per cui la legge di Kleiber è vera, ma la risposta è ancora dibattuta.)
Dati questi segni di ordine sottostante, O'Dwyer si è chiesto se alcuni dettagli di come vivono gli organismi contino più di altri nel determinare quanto le specie riusciranno a competere e sopravvivere nel tempo evolutivo. Prendiamo di nuovo il metabolismo: se un ecosistema può essere visto come un'espressione del metabolismo dei suoi abitanti, allora le dimensioni degli organismi sono numeri speciali e significativi. La dimensione di un individuo può essere più utile nel modellare il suo destino nel tempo rispetto a qualsiasi numero di altri dettagli sulla sua dieta o identità di specie.
O'Dwyer si è chiesto se uno di quei fattori cruciali e privilegiati potesse essere catturato dalla storia della vita, un concetto che combina statistiche sulle specie come il numero medio di prole, il tempo fino alla maturità sessuale e la durata della vita. Immagina un appezzamento di 50 singole piante. Ognuno ha la sua durata di vita, il suo modello di riproduzione. Dopo tre mesi, una pianta potrebbe produrre 100 semi, mentre un'altra simile ne produce 88. Forse l'80% dei loro semi germinerà, producendo la generazione successiva, che attraverserà la propria versione di questo ciclo. Anche all'interno di una specie, il numero delle singole piante varierà, a volte di poco, a volte di molto, un fenomeno chiamato rumore demografico. Se questa variazione è casuale, alla maniera della teoria neutrale di Hubbell, quali modelli emergeranno nelle generazioni successive?
O'Dwyer sapeva di aver trovato qualcuno che poteva aiutarlo a esplorare la questione quando Jops si unì al suo laboratorio come studente laureato. Jops aveva precedentemente studiato se i modelli che utilizzavano le storie di vita potessero prevedere se una specie vegetale vulnerabile sarebbe sopravvissuta o se fosse in via di estinzione. Insieme, hanno iniziato a elaborare la matematica che descriverebbe cosa succede quando la storia della vita incontra la competizione.
Nel modello di Jops e O'Dwyer, come nei modelli neutri, la stocasticità - l'influenza di fattori casuali sulle interazioni deterministiche tra le specie - è importante. Le storie di vita delle specie, tuttavia, possono amplificare o ridurre gli effetti di tale casualità. "La storia della vita è una specie di lente attraverso la quale funziona il rumore demografico", ha detto O'Dwyer.
Quando i ricercatori hanno permesso al loro modello di progredire nel tempo, mettendo alla prova ogni individuo simulato, hanno scoperto che alcune specie potevano persistere l'una accanto all'altra per lunghi periodi anche se erano in competizione per le stesse risorse. Analizzando più a fondo i numeri per una spiegazione, Jops e O'Dwyer hanno scoperto che un termine complesso chiamato dimensione effettiva della popolazione sembrava utile per descrivere una sorta di complementarità che potrebbe esistere tra le specie. Incapsulava il fatto che una specie poteva avere un'alta mortalità in un punto del suo ciclo di vita, quindi una bassa mortalità in un altro, mentre una specie complementare poteva avere una bassa mortalità nel primo punto e un'alta mortalità nel secondo. Più questo termine era simile per due specie, più era probabile che una coppia potesse vivere l'una accanto all'altra nonostante la competizione per lo spazio e la nutrizione.
"Sperimentano rumore demografico alla stessa ampiezza", ha detto O'Dwyer. "Questa è la chiave per vivere insieme a lungo."
Introduzione
I ricercatori si sono chiesti se modelli simili prevalessero nel mondo reale. Hanno disegnato sul Banca dati COMPADRE, che ospita dettagli su migliaia di specie di piante, funghi e batteri raccolti da una varietà di studi e fonti, e si sono concentrati su piante perenni che vivevano tutte insieme negli stessi appezzamenti di ricerca. Hanno scoperto che, come previsto dal loro modello, le specie vegetali che vivevano insieme avevano storie di vita molto simili: le coppie di specie che vivono nello stesso ecosistema tendono ad essere più complementari delle coppie disegnate a caso.
I risultati suggeriscono modi in cui le specie che non sono necessariamente in competizione diretta potrebbero lavorare bene l'una accanto all'altra senza invocare nicchie distinte, ha detto Annette Ostling, professore di biologia all'Università del Texas, Austin. "La parte più interessante è che stanno evidenziando che queste idee... possono estendersi a specie piuttosto diverse ma complementari", ha affermato.
A Guglielmo Kunin, professore di ecologia all'Università di Leeds in Inghilterra, l'articolo suggerisce una ragione per cui il mondo naturale, nonostante tutta la sua complessità, può assomigliare a un modello neutro: i processi ecologici possono avere un modo di annullarsi a vicenda, così che ciò che sembra come una varietà infinita può avere un risultato semplice che ha descritto come "neutralità emergente". Hubbell, da parte sua, apprezza l'espansione del suo lavoro iniziale. "Offre alcuni pensieri su come generalizzare i modelli neutri, modificarli per inserire un po' di differenze di specie, espandersi e contrarsi per vedere cosa succede alla diversità in una comunità locale", ha detto.
Questo è solo un boccone del problema di capire come nasce la biodiversità e perché persiste, comunque. “In ecologia, lottiamo con la relazione tra modello e processo. Molti processi diversi possono produrre lo stesso modello", ha affermato Ostling. O'Dwyer spera che nei prossimi anni più dati sul mondo reale possano aiutare i ricercatori a discernere se la dimensione effettiva della popolazione sia costantemente in grado di spiegare la coesistenza.
Kunin spera che il documento ispiri gli altri a continuare a lavorare con le idee della teoria neutrale. In un campo in cui le qualità uniche degli individui, piuttosto che i loro punti in comune, hanno dominato a lungo, la teoria neutrale ha costretto gli ecologisti a essere creativi. "Ci ha cacciato dai nostri solchi mentali e ci ha fatto pensare a quali cose contano davvero", ha detto.
Hubbell, che molti anni fa ha lanciato una teoria neutrale sull'ecologia, si chiede se set di dati davvero immensi sulle foreste reali possano fornire il tipo di dettaglio necessario per rendere più chiara la relazione tra storia della vita e biodiversità. "Questo è il tipo di costruzione sulla teoria neutrale che speravo accadesse", ha detto del nuovo documento. "Ma è solo un piccolo passo verso la comprensione reale della diversità".
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- Fonte: https://www.quantamagazine.org/the-key-to-species-diversity-may-be-in-their-similarities-20230626/
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