Екологи намагаються отримати контроль над «ключовими видами» | Журнал Quanta

Перший тиждень Енн Саломон як аспіранта в 2001 році був не таким, як вона очікувала. У той час як інші нові студенти прямували на вступні лекції, Саломона фургон, а потім моторний човен відвезли на острів Татуш, який розташований недалеко від північно-західного краю Олімпійського півострова у Вашингтоні. Серед припливних басейнів цього ізольованого острова Саломон вдивлявся в павутину життя на скелях: охристі морські зірки, вусоногі молюски, мідії, равлики та різноманітні водорості, які набували форм, що нагадували салат, мох і пухирчасту плівку.

Відвідування цього розбитого хвилями оголення було обрядом для співробітників лабораторії Боба Пейна. Кілька десятиліть тому Пейн, озброєний ломом, уперше взяв фіолетовий колір Пізастр морські зірки — головний хижак екосистеми — з припливних басейнів у сусідній затоці Маках і кинув їх у море, щоб він міг дізнатися, які сили організували спільноту істот, що чіпляються за скелі. Результати суттєво вплинуть на екологію, охорону природи та сприйняття природи громадськістю. Через три роки без морських зірок 15 видів, які спочатку були присутні в басейнах, скоротилися до восьми. Через 10 років монокультура мідій домінувала на березі.

Команда Результати експерименту Пейна, опублікований в Росії Американський натураліст в 1966 році показали, що один вид може мати величезний вплив на екологічну спільноту. Коли Пейн поділився своїми відкриттями з палеоекологом і природоохоронцем Естелла Леопольд, вона припустила, що потужна концепція заслуговує на згадкову назву. У наступній статті він призначив Пізастр морська зірка — це «вид ключових каменів», що відноситься до архітектурного замкового каменю: клиноподібний камінь на вершині арки, який після вставлення запобігає руйнуванню конструкції. «У Боба був досить поетичний, оповідальний розум», — сказав Мері Пауер, почесний професор Каліфорнійського університету в Берклі, який навчався під керівництвом Пейна. (Пейн помер у 2016 році.)

Саломон, Пауер та інші студенти Пейна присвятили свою дипломну роботу уточненню концепції наріжного каменю та математичному визначенню екологічної «нарілості» виду. Але, подібно до морських зірок, що спливають на скелі, ця метафора закріпилася в науковій і громадській уяві. Багато екологів і природоохоронців втратили з поля зору початкове значення, яке Пейн надав цьому терміну, і почали називати кожен важливий вид наріжним каменем. Дійсно, аналіз, опублікований минулого року, показав, що понад 200 видів були позначені як ключові. Використання етикетки стало настільки широким, що деякі екологи побоюються, що вона втратила будь-яке значення.

Екологи сьогодні працюють над уточненням того, що означає «основний вид», і виступають за більш вибагливе застосування. Вони стверджують, що за допомогою більш ретельної ідентифікації ключових видів політики можуть краще ідентифікувати та охороняти види, які мають непропорційний вплив на екосистеми. А нові застосування в мікробній медицині можуть допомогти біологам точніше кількісно визначити вплив ключових видів, що може принести користь не лише екосистемам, але й здоров’ю людини.

Есенціальність виду

За кілька десятиліть до того, як Пейн провів свій нині відомий експеримент, екологи зійшлися на теорії, згідно з якою види, які живуть в одному середовищі, пов’язані в пірамідальну мережу того, хто кого їсть. На вершині були рідкісні хижаки, які поїдали дрібних хижаків або травоїдних тварин, які самі споживали рясних «виробників», таких як рослини або водорості, які живилися безпосередньо сонячним світлом і фотосинтезом. Екологи вважали, що стабільність мережі контролюється знизу вгору наявністю виробників.

Але до 1960-х років це мислення змінилося. Чи можуть громади також зазнавати сильного впливу хижаків? Можливо, рослинність домінувала в екосистемах не тому, що виробники обмежували інші види, а тому, що хижаки перешкоджали травоїдним тваринам надмірно пастися. Експеримент Пейна був одним із перших, хто переконливо продемонстрував такий низхідний контроль у реальному часі.

Потім еколог Джеймс Естес задокументував, як морські видри в прибережних лісах водоростей Каліфорнії відігравали ключову роль, схожу на роль морських зірок у водоймах Пейна. У статті 1974 року, опублікованій в наука, він описав, як морська видра, один хижий вид, структурував різноманітність спільноти лісових водоростей. Морські видри контролювали травоїдних морських їжаків; без хижаків їжаки перевищили випас і знищили всю групу залежних від водоростей видів.

Ці дослідження та ключова ідея набули популярності в той самий момент, коли в Америці зароджувалася екологічна свідомість. У 1973 році Конгрес прийняв Закон про зникаючі види, який прийняв видоорієнтований підхід на збереження дикої природи. Ідея про те, що відновлення популяції одного виду — можливо, наріжного каменю — могло б забезпечити біорізноманіття екологічної спільноти відповідно до цієї нової правової бази.

У результаті концепція keystone-species зажила власним життям. Вчені та природоохоронці все частіше застосовували цей термін до будь-якого виду, який вважався важливим, неправильно характеризуючи початкову ідею Пейна. Найпопулярніші хижаки, такі як вовки та акули, чия відсутність мала різкі наслідки просочування вниз, очевидно, були ключовими каменями. Так само були інженери екосистем, що змінюють середовище існування, як-от бобри, дятли, бізони та лугові собачки. Але невдовзі також з’явилися наукові згадки про основних травоїдних тварин, основних рослин, запилювачів і навіть патогенних мікроорганізмів. Групи видів, які вважалися важливими, були названі «ключовими гільдіями».

У міру того, як цей термін став популярним, екологи тихо працювали над математичним визначенням зв’язків між видовими вузлами в екологічній мережі. На острові Татуш студенти Пейна продовжували досліджувати припливні басейни, додаючи або видаляючи види, щоб побачити, які з них найбільш важливі для громади. Проводячи ретельні вимірювання протягом багатьох років, вони кількісно визначили відносну здатність кожного пастуха впливати на здатність дитинчат ламінарії пускати коріння — вимірювання, яке Пейн назвав «силою взаємодії на душу населення», і яке згодом стало відомим як «ключоподібність». Якщо організм мав високу замкнутість, кожна особина мала непропорційно великий вплив на його екосистему.

Однак більшість людей не дотримувалися цієї нової екологічної математики. До 1990-х років деякі екологи були занепокоєні тим, що надмірне використання «основних видів» трансформувало та зменшувало значення цієї концепції. Настав час розібратися. У грудні 1994 року в Хіло, Гаваї, відбулася невелика конференція екологів, деякі з яких називали себе «ключовими поліцейськими», щоб виробити консенсусне визначення. Дотримуючись математики Пейна та Пауера, вони погодилися, що «основний вид — це вид, вплив якого на його спільноту чи екосистему є великим і набагато більшим, ніж можна було б очікувати з його чисельності».

Згідно з цим визначенням, лосось не є ключовим видом, навіть якщо він є екологічно важливим. «Якщо ви дістанете одну особину лосося з річки, це не матиме великого ефекту», — сказав Саломон. Навпаки, якщо взяти одну морську зірку з шматка приливної зони, «це матиме великий ефект».

Конгрес у Хіло був гідним зусиллям. Але це не завадило дослідникам називати нові ключові камені в наступні десятиліття. «Проблема полягає в тому, що немає стандартів, до яких дослідники повинні призначати досліджуваний організм як ключовий камінь», — сказав Брюс Менге, громадський еколог з Університету штату Орегон і інший колишній аспірант Пейна. «Будь-хто вільний припускати, сперечатися або припускати, що його вид є ключовим каменем». І справді, нещодавно новий аналіз показав, наскільки далеко зайшла ця концепція.

Ми всі тут Keystones

У 2021 році Ішана Шукла була аспіранткою Університету Вікторії, яка прагнула проаналізувати ознаки ключових видів. «Я досить наївно думала, що можна просто пошукати в Google список видів ключових каменів, і вийде чудовий список», — сказала вона. Коли вона не знайшла жодного, вона подумала, що створить свій власний. Вона видобула понад 50 років опублікованих даних, що охоплюють 157 досліджень, і ідентифікувала 230 видів, які вважаються ключовими. Вона побачила, що в міру розвитку екологічних знань «функція наріжного каменя почала розширюватися все ширше і ширше».

Використовуючи аналітичну техніку, яка організовує елементи у пов’язані кластери, вона та її співавтори знайдено п'ять типів замкових видів: великі м'ясоїдні хребетні, такі як акули та вовки; безхребетні їжучі, такі як довгошипий морський їжак і метелик-капустянка; види середньої зграї, які одночасно є хижими і жертвами, такі як лящ і бичок; безхребетних, які виконують життєво важливі ролі в харчових мережах, таких як північні креветки та медоносні бджоли; і дрібні ссавці, які змінюють середовище існування, як-от крижаний щур і чорнохвостий луговий пес.

«Ми визначили цілий ряд ключових каменів, які не обов’язково отримують природоохоронні заходи чи увагу, але ми бачимо, що вони надзвичайно важливі для нашої екосистеми», – сказав шукла, зараз докторант Каліфорнійського університету в Девісі.

«Найважливішим повідомленням цієї статті було те, що ключові види не всі однакові», — сказав Діана Срівастава, громадський еколог з Університету Британської Колумбії, який, працюючи в Коста-Ріці, визначив личинки дамфлі як ключові види у воді, скупченій всередині листя бромелієвих. «Суспільне сприйняття ключових видів полягає в тому, що вони є великими наземними ссавцями… але насправді більшість із них не є такими. Більшість видів замкових каменів є водними. Багато з них не є хижаками. Там велика кількість безхребетних».

Однак у статті не намагалися оцінити, чи були ці види справжніми математичними ключовими каменями чи ні. Замість цього, сказав Менге, Шукла та її співробітники просто підсумували, як цей термін використовувався та зловживав ним. Таким чином дослідження підкреслювало, а не ускладнювало, «постійне ліберальне використання терміну «ключовий вид» для позначення будь-якого сильного взаємодіючого фактора, який має непрямі наслідки», – сказав він.

Жодна з категорій Шукли не включала мікробів. Дійсно, Пейн та інші в своїх експериментах взагалі не думали про мікроорганізми. І все ж кількісне визначення трапеціозності стало предметом нового напрямку досліджень у медичній мікробіології.

Keystone у вашому кишечнику

Мікробіоми включають сотні чи тисячі мікробних видів, які взаємодіють у складній екосистемі. То чому б їм також не мати ключових видів?

«Імовірно, якщо є ключовий вид, то система може бути досить тендітною», – сказав він Ян-Ю Лю, яка вивчає мікробіом у Бригамській жіночій лікарні та Гарвардській медичній школі. Наприклад, якщо антибіотики знищили ключовий мікроб у вашому кишечнику, мікробна екосистема може зруйнуватися та спричинити ускладнення для здоров’я. «Ось чому я зацікавлений у визначенні ключових видів із мікробних спільнот», — сказав він.

Технічно чи етично неможливо видаляти види в людських мікробіомах один за іншим, як ви можете зривати морських зірок зі скель. Натомість Лю та його колеги звернувся до А.І у статті, опублікованій у листопаді в Екологія природи та еволюція. Використовуючи дані з мікробіомів кишківника, порожнини рота, ґрунту та коралів, вони навчили модель глибокого навчання, щоб ранжувати важливість видів у мікробних спільнотах, дивлячись на те, що сталося з спільнотою після того, як кожен вид було видалено з його модельного мікробіому — по суті, кількісно визначивши ключовий момент -ність кожного мікроба.

Згідно з аналізом Лю, «ми не знайшли жодного виду з дуже великою трапецієподібністю», — сказав він. Найвище розрахункове значення було близько 0.2. З їх визначенням трапецієподібності в діапазоні від нуля до 1, «0.2 насправді не є великим числом», сказав він.

Це не означає, що в мікробних спільнотах немає ключових каменів. Лю вважає, що ці спільноти мають дуже високий рівень функціональної надмірності — це означає, що кілька видів можуть виконувати аналогічні екологічні ролі і тому можуть бути взаємозамінними. І деякі види можуть мати високу зірковість не в абсолютному сенсі, а відносно мікробіому даної людини, який є дуже персоналізованим. «Ці види дуже важливі в тому сенсі, що якщо їх видалити, система може сильно змінитися», — сказав Лю.

У цьому сенсі в мікробних спільнотах концепція ключового виду залежить від контексту. Наріжний камінь в одному мікробіомі може не бути наріжним каменем в іншому. «Я відчуваю, що цей аспект не був високо оцінений екологами», - сказав Лю.

Екологи зараз борються з цією контекстуальною природою ключових видів поза межами мікробів і міркують, чи має ця концепція значення, і як, на тлі реальності втрати біорізноманіття.

Переоцінка метафори

Менґе присвятив свою кар’єру розумінню екологічної структури спільноти, продовжуючи наголос на скелястих берегах у своїй дипломній роботі з Пейном. Він виявив, що знаменита фіолетова зірка Пейна не всюди є основним видом. У деяких місцях він має сильнішу трапецієподібність, наприклад, у припливних басейнах, які сильніше б’ються хвилями. «Насправді, у більш захищених місцях морська зірка взагалі не є ключовим каменем», — сказав він.

Пейн теж погодився з цим. На Алясці, де мідії, яку люблять більш південні фіолетові зірки, немає, хижак — «ще одна морська зірка», — згадує Пауер слова Пейна.

Той факт, що ключові види залежать від контексту і що вони змінюються в просторі та часі, «пропущено в короткострокових дослідженнях», сказав Менге.

Тим не менш, Шрівастава не готовий відмовитися від цієї концепції. Хоча зосередженість на ключових каменях і окремих видах могла відвернути політиків і природоохоронців від більш цілісних підходів до збереження, захист і відновлення одного виду іноді може принести користь багатьом іншим видам в екосистемі. «Це не означає, що ми поспішаємо рятувати ключові види та ігноруємо різноманітність системи в цілому», — сказала вона.

Шрівастава також підкреслив, що ключовими каменями є не єдиний спосіб стабілізації систем. «Екологи тепер вважають, що деякі з найважливіших взаємодій з точки зору стабільності насправді є відносно слабкими», — сказала вона. «Якщо у вас є велика кількість видів, які слабо взаємодіють, це схоже на те, що під час шторму багато кілочків прив’язують ваш намет. Це розсіює деякі збурення».

Менґе здебільшого погоджується. На тлі глобальної втрати видів, основна увага повинна приділятися захисту середовищ існування та біорізноманіття, а не окремих видів, сказав він. «Якщо ці дві речі були зроблені в достатньо місцях, то я не впевнений, що ідея ключових видів є настільки критичною».

Можливо, один ключовий камінь має більше значення, ніж інші. В одній із останніх робіт Пейна, опублікованій у 2016 році в день його смерті, він і еколог Борис Вормс припустив, що люди є "гіперкейстонні види” — той, який справляє глибокий вплив через використання інших ключових каменів.

Людей не можна вилучити із системи, як морських зірок, щоб оцінити наш вплив. Але ми можемо навчитися зменшувати нашу замкнутість за допомогою ефективної практики та політики збереження, сказав Саломон. «У нас також є здатність навчитися керувати собою».

Це одна з причин, чому екологи продовжують перевизначати та переглядати ключові види. Потужний символ нікуди не подінеться, але завдяки покращеному визначенню люди зможуть навчитися його краще застосовувати.

Пейн знав це. Саломон любить ділитися своїми словами зі своїми учнями: «Ви не можете керувати через незнання. Ви повинні знати, що роблять види, кого вони їдять, яку роль відіграють ці види здобичі. Коли ви це знаєте, ви можете приймати розумні рішення».