Hvad driver økosystemer til ustabilitet?

At forsøge at tyde alle de faktorer, der påvirker adfærden i komplekse økologiske samfund, kan være en skræmmende opgave. Men MIT-forskere har nu vist, at disse økosystemers adfærd kan forudsiges ud fra kun to oplysninger:antallet af arter i samfundet og hvor stærkt de interagerer med hinanden.

I undersøgelser af bakterier dyrket i laboratoriet var forskerne i stand til at definere tre tilstande af økologiske samfund og beregnede de nødvendige betingelser for, at de kunne bevæge sig fra en stat til en anden. Disse resultater gjorde det muligt for forskerne at skabe et "fasediagram" for økosystemer, svarende til de diagrammer, fysikere bruger til at beskrive de forhold, der styrer overgangen af ​​vand fra fast til flydende til gas.

"Det, der er fantastisk og vidunderligt ved et fasediagram, er, at det opsummerer en masse information i en meget enkel form," siger Jeff Gore, professor i fysik ved MIT. "Vi kan spore en grænse, der forudsiger tab af stabilitet og begyndelse af udsving i en befolkning."

Gore er seniorforfatter til undersøgelsen, som i dag vises i Science . Jiliang Hu, en MIT kandidatstuderende, er hovedforfatter af papiret. Andre forfattere omfatter Daniel Amor, en tidligere MIT postdoc; Matthieu Barbier, en forsker ved Plantesundhedsinstituttet ved Universitetet i Montpellier, Frankrig; og Guy Bunin, professor i fysik ved Israel Institute of Technology.

Befolkningsdynamik

Dynamikken i naturlige økosystemer er svære at studere, fordi mens forskere kan foretage observationer om, hvordan arter interagerer med hinanden, kan de normalt ikke udføre kontrollerede eksperimenter i naturen. Gores laboratorium har specialiseret sig i at bruge mikrober såsom bakterier og gær til at analysere interspecies interaktioner på en kontrolleret måde, i håb om at lære mere om, hvordan naturlige økosystemer opfører sig.

I de senere år har hans laboratorium vist, hvordan konkurrencedygtig og samarbejdsvillig adfærd påvirker befolkninger, og har identificeret tidlige advarselstegn på befolkningssammenbrud. I løbet af den tid har hans laboratorium gradvist bygget op fra at studere en eller to arter ad gangen til økosystemer i større skala.

Da de arbejdede op til at studere større samfund, blev Gore interesseret i at prøve at teste nogle af de forudsigelser, som teoretiske fysikere har lavet om dynamikken i store, komplekse økosystemer. En af disse forudsigelser var, at økosystemer bevæger sig gennem faser med varierende stabilitet baseret på antallet af arter i samfundet og graden af ​​interaktion mellem arter. Under denne ramme er typen af ​​interaktion – rovdyr, konkurrencedygtig eller samarbejdende – ligegyldig. Kun styrken af ​​interaktionen betyder noget.

For at teste den forudsigelse skabte forskerne samfund, der spænder fra to til 48 arter af bakterier. For hvert samfund kontrollerede forskerne antallet af arter ved at danne forskellige syntetiske samfund med forskellige sæt af arter. De var også i stand til at styrke samspillet mellem arter ved at øge mængden af ​​tilgængelig mad, hvilket får populationer til at vokse sig større og også kan føre til miljøændringer såsom øget forsuring.

"For at se faseovergange i laboratoriet er det virkelig nødvendigt at have eksperimentelle fællesskaber, hvor du selv kan dreje på knapperne og foretage kvantitative målinger af, hvad der sker," siger Gore.

Resultaterne af disse eksperimentelle manipulationer bekræftede, at teorierne korrekt havde forudsagt, hvad der ville ske. Til at begynde med eksisterede hvert samfund i en fase kaldet "stabil fuld eksistens", hvor alle arter sameksisterer uden at forstyrre hinanden.

Da enten antallet af arter eller interaktioner mellem dem blev øget, gik samfundene ind i en anden fase, kendt som "stabil delvis sameksistens." I denne fase forbliver bestandene stabile, men nogle arter uddøde. Det overordnede samfund forblev i en stabil tilstand, hvilket betyder, at befolkningen vender tilbage til en tilstand af ligevægt, efter at nogle arter er uddøde.

Endelig, da antallet af arter eller styrken af ​​interaktioner steg yderligere, gik samfundene ind i en tredje fase, som indeholdt mere dramatiske udsving i befolkningen. Økosystemerne blev ustabile, hvilket betyder, at bestandene konstant svinger over tid. Mens nogle udryddelser fandt sted, havde disse økosystemer en tendens til at have en større samlet andel af overlevende arter.

Forudsige adfærd

Ved hjælp af disse data var forskerne i stand til at tegne et fasediagram, der beskriver, hvordan økosystemer ændrer sig baseret på blot to faktorer:antallet af arter og styrken af ​​interaktioner mellem dem. Dette er analogt med, hvordan fysikere er i stand til at beskrive ændringer i vands adfærd baseret på kun to forhold:temperatur og tryk. Detaljeret viden om den nøjagtige hastighed og position af hvert vandmolekyle er ikke nødvendig.

"While we cannot access all biological mechanisms and parameters in a complex ecosystem, we demonstrate that its diversity and dynamics may be emergent phenomena that can be predicted from just a few aggregate properties of the ecological community:species pool size and statistics of interspecies interactions," Hu says.

The creation of this kind of phase diagram could help ecologists make predictions about what might be happening in natural ecosystems such as forests, even with very little information, because all they need to know is the number of species and how much they interact.

"We can make predictions or statements about what the community is going to do, even in the absence of detailed knowledge of what's going on," Gore says. "We don't even know which species are helping or hurting which other species. These predictions are based purely on the statistical distribution of the interactions within this complex community."

The researchers are now studying how the flow of new species between otherwise isolated populations (similar to island ecosystems) affects the dynamics of those populations. This could help to shed light on how islands are able to maintain species diversity even when extinctions occur. + Udforsk yderligere

Changes in marine ecosystems are going undetected

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.