Ecologiștii se luptă pentru a înțelege „speciile cheie” | Revista Quanta

Prima săptămână a lui Anne Salomon ca studentă absolventă în 2001 nu a fost ceea ce anticipase. În timp ce alți studenți noi s-au îndreptat către prelegeri introductive, Salomon a fost dus cu duba și apoi cu barca cu motor pe insula Tatoosh, care se află chiar în largul vârfului de nord-vest al Peninsulei Olimpice din Washington. Printre bazinele de maree ale acestei insule izolate, Salomon s-a uitat la rețeaua vieții de pe stânci: stele de mare ocru, melci, midii, melci și alge asortate care au luat forme care amintesc de salată verde, mușchi și folie cu bule.

O vizită la acest afloriment lovit de valuri a fost un ritual de trecere pentru asociații de laborator ai lui Bob Paine. Cu zeci de ani mai devreme, Paine, înarmat cu o rangă, scosese mai întâi purpuriu Pisastru stele de mare – cel mai mare prădător al ecosistemului – din bazinele de maree din apropierea golfului Makah și le-a aruncat în mare, pentru a putea afla ce forțe au organizat comunitatea creaturilor agățate de stâncă. Rezultatele ar influența profund ecologia, conservarea și percepția publicului asupra naturii. După trei ani fără stele de mare, cele 15 specii prezente inițial în bazine au scăzut la opt. După 10 ani, o monocultură de midii a dominat malul.

rezultatele experimentului lui Paine, publicat în Naturalistul american în 1966, a arătat că o singură specie poate avea o influență imensă asupra unei comunități ecologice. Când Paine și-a împărtășit descoperirile cu paleoecologul și conservaționistul Estella Leopold, ea a sugerat că un concept puternic merită un nume evocator. Într-o lucrare ulterioară, el l-a desemnat pe Pisastru stea de mare o „specie cheie de boltă”, referindu-se la o cheie de boltă arhitecturală: piatra în formă de pană de deasupra unui arc care, odată introdusă, împiedică prăbușirea structurii. „Bob avea o minte narativă destul de poetică”, a spus Mary Power, profesor emerit la Universitatea din California, Berkeley, care a studiat sub Paine. (Paine a murit în 2016.)

Salomon, Power și alți studenți de la Paine și-au dedicat munca de absolvire pentru a perfecționa conceptul cheie de boltă și pentru a defini matematic „cheapitatea” ecologică a unei specii. Dar, asemenea stelelor de mare care sclipesc pe stânci, metafora a luat stăpânire în imaginația științifică și publică. Mulți ecologisti și conservatori au pierdut din vedere semnificația originală pe care Paine i-a dat termenului și au început să marcheze fiecare specie importantă aparent ca o cheie de boltă. Într-adevăr, o analiză publicată anul trecut a constatat că peste 200 de specii au fost marcate ca cheie de boltă. Utilizarea etichetei a devenit atât de largă încât unii ecologisti se tem că și-a pierdut orice semnificație.

Ecologiștii de astăzi lucrează pentru a perfecționa ce înseamnă „specie cheie” și pledează pentru o aplicare mai exigentă. Cu o identificare mai riguroasă a speciilor cheie, factorii de decizie pot identifica și proteja mai bine speciile care au un impact disproporționat asupra ecosistemelor, susțin ei. Iar noi aplicații în medicina microbiană ar putea ajuta biologii să cuantifice mai precis influența unei specii cheie, care ar putea beneficia nu doar ecosistemelor, ci și sănătății umane.

Esențialitatea speciei

În deceniile înainte ca Paine să-și desfășoare experimentul acum faimos, ecologistii convergeau către teoria conform căreia speciile care împart un habitat erau conectate într-o rețea piramidală a cine mănâncă pe cine. În vârf erau prădători rari, care mâncau prădători minori sau ierbivore, care consumau ei înșiși „producători” abundenți, cum ar fi plantele sau algele, care se hrăneau direct cu lumina soarelui și fotosinteză. Stabilitatea rețelei, credeau ecologiștii, era controlată de jos în sus de disponibilitatea producătorilor.

Dar prin anii 1960, această gândire se schimba. Ar putea și comunitățile să fie puternic influențate de prădători? Poate că vegetația a dominat ecosistemele nu pentru că producătorii au limitat alte specii, ci pentru că prădătorii au împiedicat erbivorele să pășunat excesiv. Experimentul lui Paine a fost unul dintre primele care a demonstrat în mod convingător un astfel de control de sus în jos în timp real.

Apoi ecologistul James Estes a documentat modul în care vidrele de mare din pădurile de alge din larg din California au jucat un rol cheie asemănător cu cel al stelelor de mare din bazinele de maree ale lui Paine. Într-o lucrare din 1974 publicată în Ştiinţă, el a descris cum vidra de mare, o singură specie prădătoare, a structurat diversitatea a comunității de alge-păduri. Vidrele de mare țineau în frâu aricii de mare erbivori; fără prădători, aricii au pășunat excesiv și au distrus întreaga suită de specii dependente de alge.

Aceste studii și ideea de cheie au devenit proeminente în același moment în care conștiința de mediu a Americii a apărut. În 1973, Congresul a adoptat Legea privind speciile pe cale de dispariție, care a luat o abordare axată pe specie pentru conservarea faunei sălbatice. Ideea că restabilirea populației unei singure specii – o cheie de boltă, poate – ar putea asigura biodiversitatea unei comunități ecologice aliniate cu acest nou cadru legal.

Drept urmare, conceptul de specie-cheie-cheie a căpătat o viață proprie. Oamenii de știință și conservaționiştii au aplicat din ce în ce mai mult termenul oricărei specii considerate importante, caracterizând greşit ideea originală a lui Paine. Prădătorii de top, cum ar fi lupii și rechinii, a căror absență a avut impacturi drastice de scurgere au fost, în mod demonstrat, cheie de boltă. La fel au fost inginerii ecosistemelor care modifică habitatul, cum ar fi castorii, ciocănitorii, bizonii și câinii de prerie. Dar în scurt timp au existat și referințe științifice la erbivorele cheie, plantele cheie, polenizatorii cheie, chiar și agenții patogeni cheie. Grupurile de specii considerate importante au fost etichetate „bresle cheie”.

Pe măsură ce popularitatea generală a termenului a decolat, ecologistii au lucrat în liniște la o definiție matematică a relațiilor dintre nodurile speciilor dintr-o rețea ecologică. Pe insula Tatoosh, studenții lui Paine au continuat să examineze bazinele de maree, adăugând sau ștergând specii pentru a vedea care dintre ele contau cel mai mult pentru comunitate. Făcând măsurători atente de-a lungul mai multor ani, ei au cuantificat capacitatea relativă a fiecărui pastor de a influența capacitatea puiului de varec de a prinde rădăcini - o măsurătoare numită de Paine „puterea interacțiunii pe cap de locuitor” și care mai târziu a devenit cunoscută sub numele de „performanță”. Dacă un organism a avut un grad de cheie mare, fiecare individ a avut un efect disproporționat de mare asupra ecosistemului său.

Cu toate acestea, majoritatea oamenilor nu urmau această nouă matematică ecologică. Până în anii 1990, unii ecologisti deveniseră alarmați că utilizarea excesivă a „speciilor cheie de boltă” transforma și diminua sensul conceptului. Era timpul să-l scoatem. În decembrie 1994, la Hilo, Hawai'i, a avut loc o mică conferință de ecologisti - unii auto-identificați ca „polițiști de cheie” – pentru a dezvolta o definiție de consens. În urma calculelor lui Paine și Power, ei au fost de acord că „o specie cheie este o specie al cărei impact asupra comunității sau ecosistemului său este mare și mult mai mare decât ar fi de așteptat din abundența sa”.

Conform acestei definiții, somonul nu este o specie cheie, chiar dacă este important din punct de vedere ecologic. „Dacă scoți un singur somon dintr-un râu, nu va avea un efect uriaș”, a spus Salomon. În schimb, dacă scoți o stea de mare dintr-o bucată dintr-o zonă intertidală, „va avea un efect mare”.

Convenția de la Hilo a fost un efort demn. Dar nu i-a împiedicat pe cercetători să numească noi chei de boltă în deceniile care au urmat. „Problema este că nu există standarde la care cercetătorii să fie supuși în desemnarea organismului lor de studiu ca cheie de boltă”, a spus Bruce Menge, un ecologist comunitar la Universitatea de Stat din Oregon și un alt fost student absolvent al lui Paine. „Oricine este liber să sugereze, să argumenteze sau să speculeze că specia lui este o cheie de boltă.” Și într-adevăr, o nouă analiză a dezvăluit recent cât de departe s-a extins conceptul.

Cu toții suntem cheia de boltă aici

În 2021, Ishana Shukla a fost studentă absolventă la Universitatea Victoria, care căuta să analizeze trăsăturile speciilor cheie. „M-am gândit destul de naiv că ai putea doar să găsești pe Google o listă de specii cheie și ar apărea o listă minunată”, a spus ea. Când nu a găsit unul, s-a gândit că și-o va crea pe al ei. Ea a extras peste 50 de ani de date publicate, cuprinzând 157 de studii și a identificat 230 de specii considerate cheie de boltă. Ea a văzut că, pe măsură ce cunoștințele ecologice au avansat, „funcția cheii de boltă a început să se extindă din ce în ce mai larg”.

Folosind o tehnică analitică care organizează articolele în grupuri înrudite, ea și coautorii ei au găsit cinci tipuri de specii cheie: carnivore vertebrate mari precum rechinii și lupii; mîncătorii de nevertebrate, cum ar fi arici de mare cu țepi lungi și fluture de varză; specii din mijlocul haitei, care sunt atât prădătoare, cât și pradă, cum ar fi peștele dorada și capul de boi; nevertebrate care îndeplinesc roluri vitale în rețelele trofice, cum ar fi creveții nordici și albinele; și mamifere mici care modifică habitate precum șobolanul de gheață și câinele de prerie cu coadă neagră.

„Am identificat o serie întreagă de chei de boltă care nu primesc neapărat acțiuni de conservare sau atenție pentru conservare, dar putem vedea că sunt extrem de importante pentru ecosistemul nostru”, a spus shukla, acum doctorand la Universitatea din California, Davis.

„Cel mai important mesaj din această lucrare a fost că speciile cheie nu sunt toate la fel”, a spus Diane Srivastava, un ecologist comunitar de la Universitatea din Columbia Britanică care, în timp ce lucra în Costa Rica, a identificat larvele de damselfly ca specii cheie în apa adunată în interiorul frunzelor de bromeliacee. „Percepția publică asupra unei specii cheie este că acestea sunt marile mamifere terestre... dar, de fapt, majoritatea nu sunt. Majoritatea speciilor cheie sunt acvatice. Mulți dintre ei nu sunt prădători. Există un număr bun de nevertebrate.”

Cu toate acestea, lucrarea nu a încercat să evalueze dacă aceste specii erau adevărate cheie de boltă matematică sau nu. În schimb, a spus Menge, Shukla și colaboratorii ei au rezumat doar modul în care termenul a fost folosit și abuzat. În acest fel, cercetarea a subliniat, mai degrabă decât complicată, „folosirea liberală continuă a termenului „specie cheie” pentru a se referi la orice interactor puternic care are consecințe indirecte”, a spus el.

Niciuna dintre categoriile lui Shukla nu includea microbi. Într-adevăr, Paine și alții nu s-au gândit deloc la microorganisme în experimentele lor. Și totuși, cuantificarea caracterului cheie a devenit subiectul unei noi linii de cercetare în microbiologie medicală.

Cheia de boltă din intestinul tău

Microbiomii implică sute până la mii de specii microbiene care interacționează într-un ecosistem complex. Deci, de ce nu ar trebui să aibă și ei specii cheie?

„Se presupune că, dacă există o specie cheie, atunci sistemul ar putea fi destul de fragil”, a spus Yang-Yu Liu, care studiază microbiomul la Brigham and Women's Hospital și la Harvard Medical School. De exemplu, dacă antibioticele au ucis microbul cheie al intestinului, ecosistemul microbian s-ar putea prăbuși și poate provoca complicații de sănătate. „De aceea sunt interesat de identificarea speciilor cheie din comunitățile microbiene”, a spus el.

Nu este posibil din punct de vedere tehnic sau etic să eliminați speciile din microbiomul uman una câte una, așa cum ați putea smulge stelele de mare de pe roci. În schimb, Liu și colegii săi a apelat la AI într-o lucrare publicată în noiembrie în Ecologie și evoluție a naturii. Folosind date din bazele de date cu microbiom intestinal, oral, de sol și de corali, ei au instruit un model de învățare profundă pentru a clasifica importanța speciilor în comunitățile microbiene, uitându-se la ceea ce sa întâmplat cu comunitatea după ce fiecare specie a fost eliminată din microbiomul său model - în esență cuantificând cheia de boltă. - caracterul fiecărui microb.

În analiza lui Liu, „nu am găsit nicio specie cu caracter de cheie foarte mare”, a spus el. Cea mai mare valoare calculată a fost în jur de 0.2. Cu definiția lor a caracterului trapezoidal variind între zero și 1, „0.2 nu este într-adevăr un număr mare”, a spus el.

Asta nu înseamnă că nu există chei de boltă în comunitățile microbiene. Liu crede că aceste comunități au niveluri foarte ridicate de redundanță funcțională - adică mai multe specii pot îndeplini roluri ecologice similare și, prin urmare, ar putea fi interschimbabile. Iar unele specii pot avea o cheie-cheie mare nu într-un sens absolut, ci în raport cu microbiomul unei anumite persoane, care este foarte personalizat. „Aceste specii sunt destul de importante în sensul că, dacă le eliminați, sistemul s-ar putea schimba foarte mult”, a spus Liu.

În acest sens, în comunitățile microbiene, conceptul de specie cheie este dependent de context. O cheie de boltă dintr-un microbiom ar putea să nu fie o cheie de boltă în altul. „Simt că acest aspect nu a fost foarte apreciat de ecologisti”, a spus Liu.

Ecologiștii se confruntă acum cu această natură contextuală a speciilor cheie dincolo de microbi și se gândesc dacă și cum contează conceptul pe fondul realității pierderii biodiversității.

Reevaluarea metaforei

Menge și-a dedicat cariera înțelegerii structurii comunității ecologice, continuând accentul pe țărmurile stâncoase din munca sa absolventă cu Paine. El a descoperit că emblematica stea violetă a lui Paine nu este o specie cheie de boltă peste tot. Are un caracter de cheie mai puternic în unele locuri, de exemplu în bazinele de maree mai intens bătute de valuri. „De fapt, în locuri mai adăpostite, steaua de mare nu este deloc o cheie de boltă”, a spus el.

Paine a ajuns să accepte și asta. În Alaska, unde midia preferată de stele violete din sud este absentă, prădătorul este „doar o altă stea de mare”, și-a amintit Power Paine.

Faptul că speciile cheie sunt dependente de context și că variază în spațiu și timp este „omis în studiile pe termen scurt”, a spus Menge.

Totuși, Srivastava nu este pregătită să renunțe la concept. În timp ce accentul pus pe cheile de boltă și pe o singură specie ar fi putut să-i fi distras pe factorii de decizie politică și pe conservaționiști de la abordări mai holistice ale conservării, protejarea și restaurarea unei singure specii poate aduce uneori beneficii multor alte specii dintr-un ecosistem. „Nu înseamnă că ne grăbim să salvăm speciile cheie și să ignorăm diversitatea sistemului în ansamblu”, a spus ea.

Srivastava a subliniat, de asemenea, că cheile de boltă nu sunt singura cale prin care sistemele sunt stabilizate. „Ecologistii cred acum că unele dintre cele mai importante interacțiuni în ceea ce privește stabilitatea sunt de fapt interacțiuni relativ slabe”, a spus ea. „Dacă aveți un număr mare de specii care interacționează slab, este ca și cum ați avea o mulțime de cuie de cort care vă leagă cortul într-o furtună. Risipește unele dintre perturbări.”

Menge este în mare măsură de acord. Pe fondul unei pierderi globale de specii, accentul principal ar trebui să fie protejarea habitatelor și a biodiversității, nu a speciilor individuale, a spus el. „Dacă aceste două lucruri au fost făcute în suficiente locuri, atunci nu sunt sigur că ideea speciei cheie de boltă este atât de critică.”

Poate că o cheie de boltă contează mai mult decât restul. Într-una dintre ultimele lucrări ale lui Paine, publicată în 2016 în ziua morții sale, el și ecologistul Boris Worms a propus că oamenii sunt un „specii de hipercheie” — unul care exercită efecte profunde prin exploatarea altor chei de boltă.

Oamenii nu pot fi îndepărtați din sistem ca stelele de mare pentru a ne cuantifica impactul. Dar putem învăța cum să ne reducem caracterul cheie prin practici și politici eficiente de conservare, a spus Salomon. „Avem, de asemenea, capacitatea de a învăța să ne gestionăm.”

Acesta este unul dintre motivele pentru care ecologistii continuă să redefinească și să reconsidere speciile cheie. Simbolul puternic nu merge nicăieri, dar cu o definiție îmbunătățită, oamenii ar putea învăța cum să-l aplice mai bine.

Paine știa asta. Lui Salomon îi place să împărtășească cuvintele sale elevilor ei: „Nu te poți descurca din ignoranță. Trebuie să știi ce specii fac, pe cine mănâncă, ce rol joacă aceste specii de pradă. Când știi asta, poți lua niște decizii inteligente.”