Біорізноманіття, види плетуть свої мережі для науки
Види залежать один від одного для виживання і, таким чином, утворюють складні системи. Мережі видів, де одні пов’язані з багатьма іншими, більш стійкі до змін.
Додо зник з Маврикію приблизно в 1680 р. У той же час тамбалакок, вид дерева, ендемічний для острова, перестав розмножуватися. У 1980 році вижили лише 13 людей віком 300 років. Американський біолог Стенлі Темпл висунув гіпотезу про те, що насіння тамбалакока має проходити через травну систему додо, щоб прорости.
Зображення ТВ для природи/Франція 5
Кількість видів тварин і рослин, що існують на планеті, величезна: між 5 і 50 мільйонами, згідно з оцінками (без урахування бактерій), що представляє лише незначну частку (близько 0,01 відсотка) тих, що заселили Земля в той чи інший момент своєї історії. Згідно з оцінкою, проведеною під час Конвенції в Ріо в 1992 році, у найближчі роки 4500 видів тварин і 25000 видів рослин будуть загрожувати зникненню. В даний час вони зникають зі швидкістю від 1000 до 10000 на мільйон існуючих видів кожні десять років.
У цій інвентаризації види виступають як самостійні утворення, зникнення одного з них позбавляє нас його характеристик: цінності спадщини, наукового інтересу тощо. Ми шкодуємо про зникнення такої рослини з-за її лікувальних властивостей або такої птиці, як додо, що змусило нас мріяти. Однак види майже завжди пов’язані між собою (хижацтво, мутуалізм, конкуренція тощо): таким чином вони утворюють скупчення або спільноти, структура (організація) яких варіюється залежно від міграцій, еволюції чи вимирання видів. Ця структура є суттєвою. Перш за все тому, що це дозволяє (чи ні) інтродукцію нових видів. Так, на тихоокеанському узбережжі США багато черепашок змагаються, щоб прикріпитися до скель; вони співіснують у присутності свого хижака, морської зірки, однак при його відсутності мідії, що є улюбленим видом морських зірок, колонізують всю поверхню. Отже, створення нового виду не залежить лише від його власних особливостей (висока народжуваність, хороша фіксація на скелі тощо), а й від структури спільноти, в яку він потрапляє (див. Малюнок 1).
Структура спільноти також впливає на загальні властивості екосистеми (визначається як ціле, утворене спільнотою, її фізичне середовище та відносини, що їх об’єднують). Девід Тілман, Університет штату Міннесота, США, обробляв ділянки, що містять або кілька видів прерійних рослин, або лише один, і порівняв кількість трави, що виробляється на кожній ділянці. Більшість видів є більш продуктивними при змішуванні з іншими, можливо, завдяки взаємодоповнюючим функціям або взаємодіям (фіксація азоту кореневими бульбочками, наявність симбіотичних грибів тощо).
Таким чином, навіть досконале знання кожного виду, що розглядається окремо, не дає можливості передбачити поведінку спільноти, властивості якої не обмежуються сумою окремих властивостей видів, що їх складають. Отже, зменшення біорізноманіття набуває додаткового виміру. Це вже не просто питання збереження простої колекції видів, а врахування у стратегіях управління біорізноманіттям взаємозв’язків між видами та структури спільнот.
Вивчення біорізноманіття вимагає від нас розуміння того, як види з’являються, збираються, підтримуються чи, навпаки, зникають у своїх екосистемах. Для виконання цього геркулесового завдання теорія складності пропонує нам інструменти для вивчення глобальних властивостей таких систем, крім окремих внесків їх компонентів. Ми проілюструємо на кількох прикладах, як ця теорія дозволяє досліджувати певні непередбачувані властивості спільнот, такі як їх стабільність (тобто відсутність зникнення чи демографічний вибух видів, що їх утворюють після порушення).
Ми можемо змоделювати біологічний об’єкт у формі системи, тобто сукупності елементів, пов’язаних функціональним чином. Динаміка цих елементів залежить, зокрема, від потоків (речовини, енергії, інформації тощо), якими вони обмінюються. З цієї точки зору спільнота може бути представлена як мережа (відома як трофічна), види якої пов’язані зв’язками хижак-здобич. Динаміка кожного виду залежить від речовини (або енергії), яку він споживає (здобич), і від того, що втрачає (коли її члени гинуть). Коли збитки компенсують прибутки, робоча сила не змінюється, і населення перебуває в рівновазі.
Випадкові моделі
Спершу припустимо, що види пов’язані випадковим чином (ми повернемось до цієї гіпотези). Тоді складність такої спільноти характеризується двома параметрами: кількістю елементів (видів), що її складають, та їх середньою зв'язковістю, тобто середньою кількістю зв'язків, що ведуть до елемента. Завдяки моделям, заснованим на випадкових графіках (графіки, точки яких зв’язані навмання), математики задаються питанням, чи існує зв’язок між визначеною таким чином складністю та стабільністю таких мереж у разі порушення.
У 1972 році Роберт Мей, з Оксфордського університету, Великобританія, встановив, що в випадково з'єднаній системі зі збільшенням складності (тобто збільшується кількість людей або середнє з'єднання) система раптово переходить зі стабільного стану в нестабільний стан: іншими словами, чим складніша система, тим більша ймовірність її нестабільності. Цей результат дає можливість визначити область стабільності відповідно до цих двох параметрів: коли той чи інший слабкий (або обидва), спільнота стабільна (див. Малюнок 2). Навпаки, коли той чи інший стає високим, громада є "тендітною" і більш чутливою до порушень.
Цей теоретичний результат дає критерій для виявлення громад, де ризик вимирання чи вибуху населення високий. Однак це було суперечливим, оскільки суперечило загальноприйнятій ідеї про те, що складність забезпечує надмірність між видами і тим самим гасить ефект порушень. Це також контрастує із спостереженням за відносно простими та бідними на види системами, такими як оброблені поля, які при нападі шкідників чи мікроорганізмів виходять з ладу частіше, ніж складні системи, такі як тропічні ліси. Ми побачимо, що подальші дослідження складності усувають це явне протиріччя.
Щоб пояснити, чому громади мають максимальну складність, Р. Соле спирався на роботу Пер Бака з Групи математичної фізики Лондонського університету. У 1988 році останній запропонував модель, яка називається «самоорганізованою критичністю», щоб описати закони, згідно з якими купа піску росте або руйнується, коли на її верхівку додають нові зерна. За аналогією з цією моделлю Р. Соле припускає, що максимальна складність спільнот виникає внаслідок багаторазових порушень, наприклад, міграційних потоків нових видів (аналогічно додаванню зерен піску) та властивостей само- (ре) організації. види, що слідують за цими колонізаціями (результуючі хвилі вимирань були б аналогічними лавинам у пісочниці). Точний характер і навіть існування цих самоорганізуючих властивостей в екосистемах залишається суперечливим. Як би там не було, це свідчить про те, що види мають певні типи організації, які, незважаючи на очевидну тенденцію до збільшення складності, можуть сприяти стабільності спільноти.
Тому які принципи організації ми можемо визначити в архітектурі зв'язків між видами спільноти? Дослідження біологічних систем показало, що найчастіше певні елементи тісно пов'язані, інші набагато рідше (див. Малюнок 3). Багато біологічних систем (мережі генів, клітин, органів тощо) представляють такий тип організації, який називають «модулями». Однак, згідно з теорією складності, для однакової кількості людей та однакової середньої підключеності модульна система є більш стійкою до порушень і, отже, більш стабільною, ніж система, зв'язки якої розподіляються хаотично. Таким чином, порівняно з моделями випадково підключених мереж, реальні системи можуть досягти значної складності, не стаючи нестабільними, за умови, що ця висока складність поєднується з організацією в модулях. Давайте тепер на двох прикладах побачимо, якими можуть бути ці модулі та за допомогою яких механізмів вони створені.
Перший стосується просторової організації громад. Коли на території, окупованій видом, кількість смертей перевищує кількість народжених, вид регресує локально, але це не обов'язково означає, що він регресує в глобальному масштабі. Дійсно, особини розподіляються нерівномірно в просторі, залежно від їх уподобань до певного типу середовища існування, їхньої здатності рухатися тощо.: це створює "пакети" осіб, більшість з яких взаємодіють локально, але іноді обмінюються особами-мігрантами з сусідніми популяціями. Це стосується птахів, що мешкають на островах. Сукупність сукупностей, організованих у модулі, з'єднані таким чином, є метапопуляцією. Навіть якщо місцеві вимирання є частими, достатньо, щоб вони були десинхронізовані, а швидкість міграції між популяціями досить висока, щоб у цілому метапопуляція, а отже і види, підтримувалась (див. Малюнок 5).
Це явище узагальнено для груп декількох видів. Теоретично два види, які експлуатують одні й ті ж ресурси, не можуть тривалий час співіснувати: або один із них еволюціонує та змінює запаси, або зникає, ставши жертвою конкуренції. Експерименти, проведені на двох видах парамеції, підтвердили це. З іншого боку, коли особини не розподілені однорідно в просторі і їх переміщення обмежене, моделі показують, що співіснування двох видів стає можливим у глобальному масштабі, незважаючи на часті місцеві вимирання. Таким чином, неоднорідності середовища існування створюють модульну організацію популяцій і стабілізують динаміку видів або груп видів.
Пристосуйтесь, щоб вижити
Побачимо другий приклад модульності, заснованої на посиланнях хижак-здобич. У 2002 році Річард Вільямс з Університету Сан-Франциско виявив, що взаємозв'язок у фактичній харчовій мережі є напрочуд високим: один вид буде лише двома-трьома посиланнями хижака-жертви від іншого. Це відбудеться від модульної організації: зв’язки хижак-здобич не будуть встановлені рівномірно між видами; деякі види мали б велику кількість стосунків з іншими, тоді як у більшості мало.
Слід визнати, що багато з цих посилань слабкі (вони нечасті). Однак Ерік Берлоу з Університету Берклі показав, що ефект зникнення виду або зв'язку не обов'язково пропорційний інтенсивності цього зв'язку: зникнення низького зв'язку іноді має великі наслідки і навпаки. Тому організація зв'язків між видами - в цьому випадку модульна - часто є важливою, незалежно від їх сили.
Ми представили приклади модульної організації видів. Чим це зумовлено? У 2003 році Мічіо Кондох з Дослідницького центру екології при Університеті Кіото, Японія, за допомогою моделі показав, що якщо організми здатні адаптувати свій раціон (змінюючи свою поведінку або еволюціонуючи) до наявності ресурсів, то їжа мережі мають модульну організацію. У цій моделі види змінюють свій раціон, зосереджуючись на найбільш багатих ресурсах і відмовляючись від тих, що стали дефіцитними.
Таким чином, механізм адаптації, який діє на рівні особин або видів, буде відповідальним за модульну організацію на більш високому рівні, ніж харчова павутина. Крім того, ця модель показує, що якщо достатня частина особин (або видів) має цю адаптаційну здатність, стабільність зростає зі складністю, на відміну від випадково підключеної мережі.
Якщо ця властивість буде підтверджена у реальних громадах, це матиме важливі наслідки для управління біорізноманіттям. Дійсно, це припускає, що невелика кількість (сильно пов'язаних) видів буде "важливішим за інші" для загальної стабільності системи, іншими словами, порушення (наприклад, вимирання виду) матиме наслідки. Різні залежно від про те, чи впливає це на сильно зв’язаний вид (ми говоримо або про “сильний взаємодіючий”, або про “ключовий камінь”), або слабо пов’язаний. На прикладі прибережної спільноти, про яку вже згадувалося, морська зірка є ключовим видом, який дозволяє співіснувати декілька видів молюсків; його зникнення спричинить каскадні зникнення. Невідомо, чи сильні взаємодії поширені в природних спільнотах.
У більш загальному плані теорія складних адаптивних систем вивчає, як так звані "локальні" механізми адаптації (вид взаємодіє лише з обмеженою кількістю інших видів) можуть спричинити появу порядку на більш високому рівні (модульна організація та стабільність у ціла громада). У 1993 році Стюарт Кауфман з групи Bios в Санта-Фе, США, змоделював той факт, що коли один компонент біологічної системи адаптується, він змінює умови, за яких відбуватимуться подальші адаптації (тобто які він називає адаптивним ландшафтом), для неї та для інших. Наприклад, встановлення іммігрантського виду змінює всю громаду, оскільки певні зв’язки реорганізовані. Таким чином, адаптивний ландшафт, куди прибуває наступний вид іммігрантів, вже не буде однаковим: ви ніколи не купаєтеся двічі в одній річці. Замість того, щоб розглядати навколишнє середовище та види як дві окремі сутності та цікавитись впливом першої на еволюцію другої, як це традиційно робиться, С. Кауфман розглядає лише одну сутність, "адаптивний ландшафт", і пропонує вивчити, як він змінює (і модифікується) постійний рух місцевої адаптації видів, що його складають.
Адаптивні пейзажі
Теорія складних систем, що застосовується до біорізноманіття, звертає нашу увагу на те, що недостатньо розглядати види окремо, щоб зрозуміти їх організацію та динаміку в межах спільнот. Цей підхід є доповненням до редукціоністського підходу, який, незважаючи на незаперечний успіх, досягає своїх меж для вивчення глобальних проблем. Таким чином, докладні огляди біології "інвазивних" або зникаючих видів корисні, але не повинні затьмарювати той факт, що вторгнення або зникнення залежать не тільки від особливостей виду, але й від видів виду. знаходиться. Як і в грі mikado, мистецтво полягає в тому, щоб передбачити, що станеться, якщо додати або прибрати паличку до будівлі.