Экологи пытаются взять под контроль «ключевые виды» | Журнал Кванта

Первая неделя Анны Саломон в качестве аспиранта в 2001 году оказалась не такой, как она ожидала. В то время как другие новые студенты направились на вводные лекции, Саломона увезли на фургоне, а затем на моторной лодке на остров Татуш, который находится недалеко от берега северо-западной оконечности Олимпийского полуострова Вашингтона. Среди приливных заводей этого изолированного острова Саломон всматривался в паутину жизни на камнях: охряные морские звезды, ракушки, мидии, улитки и разнообразные водоросли, которые принимали формы, напоминающие салат, мох и пузырчатую пленку.

Посещение этого обрушивающегося волнами обнажения стало своего рода обрядом для сотрудников лаборатории Боба Пейна. Десятилетиями ранее Пейн, вооруженный ломом, впервые вырвал пурпурный Писастр морскую звезду — главного хищника экосистемы — из приливных бассейнов в близлежащем заливе Маках и бросил их в море, чтобы узнать, какие силы организовали сообщество существ, цепляющихся за камни. Результаты окажут глубокое влияние на экологию, охрану природы и общественное восприятие природы. После трех лет отсутствия морских звезд число 15 видов, первоначально присутствующих в водоемах, сократилось до восьми. Через 10 лет на берегу доминировала монокультура мидий.

Ассоциация результаты эксперимента Пейна, опубликовано в Американский натуралист в 1966 году показали, что один вид может оказывать огромное влияние на экологическое сообщество. Когда Пейн поделился своими открытиями с палеоэкологом и защитником природы Эстелла Леопольд, она предположила, что мощная концепция заслуживает запоминающегося названия. В последующей статье он обозначил Писастр морская звезда — «вид краеугольного камня», относящийся к архитектурному краеугольному камню: клиновидному камню на вершине арки, который, будучи вставленным, предотвращает разрушение конструкции. «У Боба был довольно поэтический, повествовательный ум», — сказал Мэри Пауэр, почетный профессор Калифорнийского университета в Беркли, учился у Пейна. (Пейн умер в 2016 году..)

Саломон, Пауэр и другие студенты Пейна посвятили свою аспирантуру уточнению концепции краеугольного камня и математическому определению экологической «краеугольной значимости» вида. Но подобно морской звезде, скользящей по камням, эта метафора закрепилась в научном и общественном воображении. Многие экологи и защитники природы упустили из виду первоначальное значение, которое Пейн придал этому термину, и начали называть каждый важный вид краеугольным камнем. Действительно, анализ, опубликованный в прошлом году, показал, что более 200 видов были отмечены как ключевые. Использование этого ярлыка стало настолько широким, что некоторые экологи опасаются, что он потерял всякий смысл.

Экологи сегодня работают над уточнением того, что означает «ключевой вид», и выступают за более тщательное применение. Они утверждают, что благодаря более тщательному выявлению ключевых видов политики смогут лучше выявлять и охранять виды, которые оказывают непропорциональное воздействие на экосистемы. А новые применения в микробной медицине могут помочь биологам более точно оценить влияние ключевых видов, что может принести пользу не только экосистемам, но и здоровью человека.

Существенность видов

За десятилетия до того, как Пейн провел свой ныне знаменитый эксперимент, экологи пришли к теории, что виды, живущие в одной среде обитания, связаны в пирамидальную сеть того, кто кого ест. На вершине находились редкие хищники, которые питались второстепенными хищниками или травоядными, которые сами потребляли обильных «производителей», таких как растения или водоросли, которые питались непосредственно солнечным светом и фотосинтезом. Экологи считали, что стабильность сети контролировалась снизу вверх наличием производителей.

Но к 1960-м годам это мнение изменилось. Могут ли сообщества также подвергаться сильному влиянию хищников? Возможно, растительность доминировала в экосистемах не потому, что производители ограничивали другие виды, а потому, что хищники не позволяли травоядным животным чрезмерно выпасать пастбища. Эксперимент Пейна был одним из первых, убедительно продемонстрировавших такое нисходящее управление в реальном времени.

Тогда эколог Джеймс Эстес задокументировали, как каланы в прибрежных зарослях Калифорнии играли ключевую роль, подобную роли морских звезд в приливных водоемах Пейна. В статье 1974 года, опубликованной в Наука, он описал, как калан, единственный хищный вид, структурировал разнообразие сообщества бурых водорослей. Морские выдры сдерживали травоядных морских ежей; без хищников ежи чрезмерно выпасали и уничтожили весь набор видов, зависящих от водорослей.

Эти исследования и ключевая идея приобрели известность в тот самый момент, когда в Америке зарождалось экологическое сознание. В 1973 году Конгресс принял Закон об исчезающих видах, который принял видовой подход к сохранению дикой природы. Идея о том, что восстановление популяции одного вида (возможно, краеугольный камень) может обеспечить биоразнообразие экологического сообщества, соответствующее этой новой правовой базе.

В результате концепция краеугольного вида обрела собственную жизнь. Ученые и защитники природы все чаще применяли этот термин к любому виду, считающемуся важным, неверно характеризуя первоначальную идею Пейна. Высшие хищники, такие как волки и акулы, чье отсутствие имело серьезные последствия, очевидно, были краеугольным камнем. Так же поступили и инженеры экосистем, изменяющие среду обитания, такие как бобры, дятлы, бизоны и луговые собачки. Но вскоре появились и научные упоминания о краеугольных травоядных животных, краеугольных растениях, краеугольных опылителях и даже краеугольных патогенах. Группы видов, считавшиеся важными, были названы «ключевыми гильдиями».

По мере того как популярность этого термина росла, экологи спокойно работали над математическим определением отношений между узлами видов в экологической сети. На острове Татуш студенты Пейна продолжали исследовать приливные водоемы, добавляя или удаляя виды, чтобы увидеть, какие из них имеют наибольшее значение для сообщества. Проводя тщательные измерения в течение многих лет, они количественно оценили относительную способность каждого травоядного растения влиять на способность молодых водорослей приживаться — показатель, который Пейн назвал «силой взаимодействия на душу населения», а позже стал известен как «краеугольный камень». Если организм обладал высокой краеугольностью, каждый индивидуум оказывал непропорционально большое влияние на свою экосистему.

Однако большинство людей не следовали этой новой экологической математике. К 1990-м годам некоторые экологи были встревожены тем, что чрезмерное использование «ключевых видов» трансформирует и умаляет значение этой концепции. Пришло время все обдумать. В декабре 1994 года в Хило, Гавайи, состоялась небольшая конференция экологов, некоторые из которых называли себя «краеугольными полицейскими», с целью выработки консенсусного определения. Следуя математическим расчетам Пейна и Пауэра, они согласились, что «ключевой вид — это вид, воздействие которого на его сообщество или экосистему велико и намного больше, чем можно было бы ожидать, исходя из его численности».

Согласно этому определению, лосось не является ключевым видом, хотя он и имеет экологическое значение. «Если вы выловите из реки одного лосося, это не окажет большого эффекта», — сказал Саломон. Напротив, если вы вытащите одну морскую звезду из части приливной зоны, «это будет иметь большой эффект».

Съезд в Хило был достойным достижением. Но это не помешало исследователям назвать новые ключевые моменты в последующие десятилетия. «Проблема в том, что не существует стандартов, которым придерживаются исследователи, определяя изучаемый организм в качестве краеугольного камня», — сказал он. Брюс Менге, общественный эколог из Университета штата Орегон и еще один бывший аспирант Пейна. «Каждый волен предполагать, спорить или предполагать, что его вид является краеугольным камнем». И действительно, новый анализ, недавно проведенный, показал, насколько далеко распространилась эта концепция.

Мы все здесь краеугольные камни

В 2021 году Ишана Шукла была аспиранткой Университета Виктории и хотела проанализировать черты ключевых видов. «Я совершенно наивно полагала, что можно просто погуглить список ключевых видов, и получится прекрасный список», — сказала она. Когда она не смогла найти его, она подумала, что создаст свой собственный. Она изучила опубликованные данные за более чем 50 лет, охватывающие 157 исследований, и определила 230 видов, считающихся ключевыми. Она видела, что по мере развития экологических знаний «функция краеугольного камня начала расширяться все шире и шире».

Используя аналитический метод, который организует элементы в связанные кластеры, она и ее соавторы обнаружено пять типов ключевых видов: крупные позвоночные хищники, такие как акулы и волки; беспозвоночные-едоки, такие как длинноиглый морской еж и капустная бабочка; средние виды, которые одновременно являются хищниками и объектами добычи, такие как лещ и бычок; беспозвоночные, выполняющие жизненно важную роль в пищевых цепях, такие как северные креветки и медоносные пчелы; и мелкие млекопитающие, меняющие среду обитания, такие как ледяная крыса и чернохвостая луговая собачка.

«Мы определили целый ряд ключевых моментов, которые не обязательно получают природоохранные меры или природоохранное внимание, но мы видим, что они чрезвычайно важны для нашей экосистемы», — сказал Шукла, сейчас аспирант Калифорнийского университета в Дэвисе.

«Самая важная мысль этой статьи заключалась в том, что ключевые виды не все одинаковы», — сказал Диана Шривастава, общественный эколог из Университета Британской Колумбии, который, работая в Коста-Рике, определил личинки стрекоз как ключевые виды в воде, скопившейся внутри листьев бромелиевых. «Общественное мнение о ключевых видах таково, что они являются крупными наземными млекопитающими… но на самом деле большинство из них таковыми не являются. Большинство ключевых видов являются водными. Многие из них не являются хищниками. Здесь много беспозвоночных».

Однако в статье не пытались оценить, являются ли эти виды настоящими математическими краеугольными камнями или нет. Вместо этого, по словам Менге, Шукла и ее сотрудники просто резюмировали, как этот термин использовался и неправильно использовался. Таким образом, исследование подчеркнуло, а не усложнило, «продолжающееся либеральное использование термина «ключевые виды» для обозначения любого сильного взаимодействия, которое имеет косвенные последствия», — сказал он.

Ни одна из категорий Шуклы не включала микробы. Действительно, Пейн и другие вообще не думали о микроорганизмах в своих экспериментах. И все же количественная оценка краеугольного камня стала предметом нового направления исследований в медицинской микробиологии.

Краеугольный камень в вашем кишечнике

Микробиомы включают от сотен до тысяч видов микробов, взаимодействующих в сложной экосистеме. Так почему бы им не иметь также ключевые виды?

«Предположительно, если существует ключевой вид, то система может быть весьма хрупкой», — сказал Ян-Ю Лю, которая изучает микробиом в Женской больнице Бригама и Гарвардской медицинской школе. Например, если антибиотики убьют ключевой микроб вашего кишечника, микробная экосистема может разрушиться и вызвать осложнения для здоровья. «Вот почему я заинтересован в выявлении ключевых видов микробных сообществ», — сказал он.

Технически и этически невозможно удалять виды из человеческого микробиома один за другим, как вы могли бы срывать морские звезды с камней. Вместо этого Лю и его коллеги обратился к ИИ в статье, опубликованной в ноябре в Природа Экология и Эволюция. Используя данные из баз данных кишечного, орального, почвенного и кораллового микробиома, они обучили модель глубокого обучения ранжировать важность видов в микробных сообществах, наблюдая за тем, что происходило с сообществом после того, как каждый вид был удален из его модельного микробиома — по сути, количественно оценивая краеугольный камень. -личность каждого микроба.

В анализе Лю «мы не обнаружили ни одного вида с очень высокой степенью краеугольного камня», — сказал он. Максимальное расчетное значение составило около 0.2. Учитывая, что их определение краеугольного камня варьируется от нуля до 1, «0.2 на самом деле не такое уж большое число», — сказал он.

Это не означает, что в микробных сообществах нет краеугольных камней. Лю считает, что эти сообщества имеют очень высокий уровень функциональной избыточности — это означает, что множество видов могут выполнять аналогичные экологические роли и поэтому могут быть взаимозаменяемыми. И некоторые виды могут иметь высокую краеугольную природу не в абсолютном смысле, а относительно микробиома данного человека, который очень персонализирован. «Эти виды очень важны в том смысле, что если их удалить, система может сильно измениться», — сказал Лю.

В этом смысле в микробных сообществах концепция ключевого вида зависит от контекста. Краеугольный камень в одном микробиоме может не быть краеугольным камнем в другом. «Я чувствую, что этот аспект не получил высокой оценки экологов», — сказал Лю.

Экологи сейчас борются с этой контекстуальной природой ключевых видов, помимо микробов, и размышляют над тем, имеет ли эта концепция значение и если да, то каким образом в реальности утраты биоразнообразия.

Переоценка метафоры

Менге посвятил свою карьеру пониманию структуры экологического сообщества, продолжая уделять особое внимание скалистым берегам в своей дипломной работе с Пейном. Он обнаружил, что культовая фиолетовая звезда Пейна не везде является краеугольным камнем. В некоторых местах он имеет более сильную трапецеидальность, например, в приливных водоемах, более интенсивно подвергающихся воздействию волн. «На самом деле, в более защищенных местах морская звезда вообще не является краеугольным камнем», - сказал он.

Пейн тоже это принял. На Аляске, где отсутствуют мидии, которых предпочитают более южные фиолетовые звезды, хищник — это «просто еще одна морская звезда», вспоминает Пауэр слова Пейна.

Тот факт, что ключевые виды зависят от контекста и различаются в пространстве и времени, «упускается из виду в краткосрочных исследованиях», сказал Менге.

Тем не менее, Шривастава не готов отказаться от этой концепции. Хотя внимание к краеугольным камням и отдельным видам, возможно, отвлекло политиков и защитников природы от более целостных подходов к сохранению, защита и восстановление одного вида иногда может принести пользу многим другим видам в экосистеме. «Это не значит, что мы спешим спасти ключевые виды и игнорируем разнообразие системы в целом», — сказала она.

Шривастава также подчеркнул, что краеугольные камни – не единственный способ стабилизации систем. «Экологи теперь считают, что некоторые из наиболее важных взаимодействий с точки зрения стабильности на самом деле являются относительно слабыми взаимодействиями», — сказала она. «Если у вас большое количество видов, которые слабо взаимодействуют друг с другом, это похоже на то, как если бы ваша палатка была привязана множеством колышков во время бури. Это рассеивает некоторые возмущения».

Менге во многом согласен. По его словам, в условиях глобальной утраты видов основное внимание должно быть уделено защите среды обитания и биоразнообразия, а не отдельных видов. «Если эти две вещи были сделаны в достаточном количестве мест, то я не уверен, что идея краеугольных видов настолько важна».

Возможно, один краеугольный камень имеет большее значение, чем остальные. В одной из последних статей Пейна, опубликованной в 2016 году в день его смерти, он и эколог Борис Вормс предположил, что человек — это «гиперкраеугольные виды» — тот, который оказывает глубокое воздействие за счет использования других краеугольных камней.

Людей нельзя удалить из системы, как морскую звезду, чтобы количественно оценить наше воздействие. Но мы можем научиться уменьшать нашу краеугольность с помощью эффективной природоохранной практики и политики, сказал Саломон. «У нас также есть возможность научиться управлять собой».

Это одна из причин, почему экологи продолжают пересматривать и пересматривать ключевые виды. Мощный символ никуда не денется, но с улучшенным определением люди смогут научиться лучше его применять.

Пейн знал это. Саломон любит делиться со своими учениками своими словами: «Из-за незнания не получится обойтись. Вы должны знать, что делают виды, кого они едят, какую роль играют эти виды добычи. Зная это, вы сможете принимать разумные решения».