Matematica mai simplă prezice cât de aproape sunt ecosistemele să se prăbușească

Bondarii neclari, ca niște oi minuscule portocalii, zboară printre crinii care acoperă subterasa unei păduri argentiniene, fertilizând florile și obținând hrană pentru ei înșiși. În o veche pajiste de fan în Anglia, muștele de dans – care arată mai mult ca niște țânțari voluminosi decât balerini – vânează flori cu polen, ignorând florile bogate în nectar din apropiere. Pe o insulă stâncoasă din Seychelles, albinele și moliile își culeg florile cu grijă; numărul și tipurile de polenizatori afectează ce plante se agață de stânci.

Acest tip de interacțiuni între specii, pe care ecologiștii de teren le înregistrează cu respect în observațiile lor, pot părea lipsite de importanță, luate individual. Cu toate acestea, în ansamblu, ele descriu dinamica detaliată a interacțiunilor dintre specii care alcătuiesc un ecosistem.

Acele dinamici sunt critice. Multe medii naturale sunt sisteme incredibil de complexe care oscilează în apropierea unui „punct de vârf” al tranziției aproape ireversibile de la o stare distinctă la alta. Fiecare șoc perturbator – cauzat de incendii, furtuni, poluare și defrișări, dar și de pierderea speciilor – perturbă stabilitatea unui ecosistem. Trecut de punctul critic, recuperarea este adesea imposibilă.

E ca și cum ai înclina un pahar cu apă, a explicat György Barabas, ecologist teoretic la Universitatea Linköping din Suedia. „Dacă o împingem puțin, se va întoarce”, a spus el. „Dar dacă o împingem prea departe, se va răsturna.” Odată ce paharul este răsturnat, o mică apăsare nu poate readuce paharul într-o poziție verticală sau nu îl poate umple cu apă.

Înțelegerea a ceea ce determină aceste puncte critice de mediu și momentul lor este din ce în ce mai urgentă. Un citat pe scară largă 2022 studiu a constatat că pădurea tropicală amazoniană se clătina la marginea unei tranziții către pajiști uscate, deoarece defrișările și schimbările climatice fac secetele mai frecvente și mai severe pe suprafețe mai mari. Efectele acestei tranziții s-ar putea răspândi la nivel global asupra altor ecosisteme.

O descoperire recentă în modelarea matematică a ecosistemelor ar putea face posibilă, pentru prima dată, estimarea exactă cât de aproape sunt ecosistemele de punctele de răsturnare dezastruoase. Aplicabilitatea descoperirii este încă puternic limitată, dar Jianxi Gao, un om de știință de rețea de la Institutul Politehnic Rensselaer care a condus cercetarea, speră că, în timp, oamenii de știință și factorii de decizie vor putea identifica ecosistemele cele mai expuse riscului și adapta intervențiile pentru acestea.

„Acum ai un număr”

Modelele matematice pot, în principiu, să permită oamenilor de știință să înțeleagă ce va fi nevoie ca un sistem să se încline. Această capacitate de predicție este adesea discutată în contextul modelelor climatice și al efectului încălzirii asupra sistemelor geofizice mari, cum ar fi topirea calotei de gheață Groenlandei. Dar răsturnarea ecosistemelor precum pădurile și pajiștile este probabil mai greu de prognozat din cauza complexității extraordinare care vine cu atât de multe interacțiuni distincte, a spus Tim Lenton, care lucrează la punctele de basculanță climatice la Universitatea din Exeter din Anglia.

Ar putea fi necesare mii de calcule pentru a surprinde interacțiunile distinctive ale fiecărei specii dintr-un sistem, a spus Barabas. Calculele fac modelele extrem de complexe, mai ales pe măsură ce dimensiunea ecosistemului crește.

În august anul trecut Ecologie și evoluție a naturii, Gao și o echipă internațională de colegi au arătat cum să strice mii de calcule într-una singură prin prăbușirea tuturor interacțiunilor într-o singură medie ponderată. Această simplificare reduce complexitatea formidabilă la doar o mână de factori cheie.

„Cu o singură ecuație, știm totul”, a spus Gao. „Înainte, ai un sentiment. Acum ai un număr.”

S-au bazat pe modele anterioare care ar putea spune dacă un ecosistem ar putea avea probleme semnale de avertizare timpurie, cum ar fi o rată de recuperare în scădere după un șoc. Dar semnalele de avertizare timpurie pot da doar un sentiment general că un ecosistem se apropie de marginea unei stânci, a spus Egbert van Nes, ecologist la Universitatea Wageningen din Olanda, specializat în modele matematice. Noua ecuație de la Gao și colegii săi folosește și semnale de avertizare timpurie, dar poate spune exact cât de aproape sunt ecosistemele de răsturnare.

Chiar și două ecosisteme care arată aceleași semnale de avertizare, totuși, nu sunt neapărat la fel de aproape de pragul colapsului. Prin urmare, echipa lui Gao a dezvoltat și un factor de scalare care permite comparații mai bune.

Ca un test al noii lor abordări asupra modelării, cercetătorii au extras date despre 54 de ecosisteme reale dintr-un Baza de date online de observații de cercetare de teren din locații din întreaga lume - inclusiv pădurile din Argentina, pajiștile din Anglia și stâncile stâncoase din Seychelles. Apoi au trecut acele date atât prin modelul nou, cât și prin modelele mai vechi pentru a confirma că noua ecuație a funcționat corect. Echipa a descoperit că modelul lor funcționează cel mai bine pentru ecosistemele omogene, devenind mai puțin precis pe măsură ce ecosistemele devin mai diverse.

Testarea ipotezelor

Barabas a subliniat că ecuația nou derivată se bazează pe presupunerea că interacțiunile dintre specii sunt mult mai slabe decât interacțiunile indivizilor din cadrul unei specii. Este o presupunere susținută puternic de literatura de ecologie – dar ecologistii sunt adesea în dezacord cu privire la cel mai bun mod de a determina frecvența și puterea interacțiunilor dintre specii în diferite rețele.

Astfel de diferențe în ipotezele unui model nu sunt întotdeauna o problemă. „Adesea, matematica poate fi surprinzător de iertătoare”, a spus Barabas. Ceea ce este important este înțelegerea modului în care ipotezele constrâng utilitatea metodei și acuratețea predicțiilor rezultate. Ecuația lui Gao devine mai puțin precisă pe măsură ce interacțiunile interspecifice devin mai puternice. În prezent, modelul funcționează doar pe rețele ecologice de interacțiuni mutualiste în care speciile se beneficiază reciproc, așa cum fac albinele și florile. Nu funcționează pentru rețelele prădători-pradă, care depind de ipoteze diferite. Dar se poate aplica în continuare multor ecosisteme care merită înțelese.

Mai mult, de la publicația din august, cercetătorii au descoperit deja două moduri de a face calculul mai precis pentru ecosistemele eterogene. De asemenea, încorporează și alte tipuri de interacțiuni în cadrul unui ecosistem, inclusiv relațiile prădător-pradă și un tip de interacțiune numit dinamică competitivă.

A fost nevoie de 10 ani pentru a dezvolta această ecuație, a spus Gao, și va dura mult mai mult pentru ca ecuațiile să prezică cu exactitate rezultatele pentru ecosistemele din lumea reală - ani care sunt prețioși, deoarece nevoia de intervenții pare presantă. Dar nu este descurajat, poate pentru că, după cum a remarcat Barabas, chiar și modelele fundamentale care oferă o dovadă a conceptului sau o simplă ilustrare a unei idei pot fi utile. „Făcând mai ușoară analizarea anumitor tipuri de modele... ele pot ajuta chiar dacă nu sunt folosite pentru a face predicții explicite pentru comunități reale”, a spus Barabas.

Lenton a fost de acord. „Când te confrunți cu sisteme complexe, dintr-o poziție de relativă ignoranță, orice este bine”, a spus el. „Sunt entuziasmat pentru că simt că ajungem cu adevărat la punctul practic de a fi capabili să facem mai bine.”

Echipa a arătat recent utilitatea modelului, aplicându-l la datele dintr-un proiect de restaurare a ierbii marine în mijlocul Atlanticului, care datează din 1999. Cercetătorii au determinat cantitatea specifică de iarbă de mare care avea nevoie de restaurare pentru ca ecosistemul să se redreseze. În viitor, Gao plănuiește să colaboreze cu ecologiști pentru a rula modelul pe Lacul George din New York, pe care Rensselaer îl folosește adesea ca banc de testare.

Speranța lui Gao este că într-o zi modelul poate ajuta la informarea deciziilor privind eforturile de conservare și restaurare pentru a preveni daunele ireversibile. „Chiar și atunci când știm că sistemul este în declin”, a spus el, „mai avem timp să facem ceva”.