Når det kommer til biologiske populationer, Forvent det uventede

Mennesker er bekendt med ideen om ekstreme begivenheder. Meteorologer holder os opdateret om orkaner, oversvømmelser og høje temperaturer. Økonomer holder øje med aktiemarkedet for tegn på krak eller stævner. Vi bruger meget tid på at forsøge bedre at forudsige disse begivenheder, men bliver ofte overrasket, når de opstår.

Men, siger en ny undersøgelse i tidsskriftet Limnologi og oceanografi Breve, når det kommer til biologiens yderpunkter, det er ikke nok bare at forvente det uventede. Vi skal også være klar til det hidtil usete.

Mere end tre årtiers data om det fysiske, kemiske og biologiske variabler i 11 søer i Midtvesten viser, at mens søtemperaturer og næringsstofkoncentrationer stiger inden for relativt forventede områder, biologiske organismer opnår høje befolkningsekstremer. Resultaterne udfordrer forforståelser om, hvordan en "normal" fordeling af gennemsnit og ekstremer ser ud.

"Der har ikke været meget opmærksomhed på ekstreme udsving i biologiske tidsserier, " siger hovedforfatter af papiret, Ryan Batt, der udførte undersøgelsen som kandidatstuderende ved UW-Madison's Center for Limnology. "Vi har en tendens til at tænke på disse ting, der forårsager en enorm nød for menneskelige befolkninger, som naturkatastrofer eller økonomiske kollaps. Jeg ville vide, hvordan biologi stablet op, men jeg havde ikke forventet, at det ville være så ekstremt."

Batt, nu post-doc forsker ved Rutgers University, udnyttede årtiers data indsamlet af National Science Foundations Long-Term Ecological Research (LTER) site i Wisconsin. Siden 1981, North Temperate Lakes LTER-projektet har rutinemæssigt målt alt fra vandtemperatur til næringsstofkoncentrationer og fiskebestande i 11 Wisconsin-søer. Det tilføjede data om 595 forskellige variabler over 30 år, siger Batt.

Dataene viser, at populationer af planterne, fisk og plankton, der lever i undersøgelsessøerne, stiger til sådanne ekstremer, at i andre slags datasæt, tallene ville virke som afvigende. For eksempel, overveje menneskelig højde.

"Hvis du så nogen gå rundt, der var 14 fod høj, det ville være sindssygt, " siger Batt. "Selv en enkelt fod i højden gør en enorm forskel i forhold til at være en afviger for, hvad vi ville betragte som 'normalt'."

Imidlertid, i datasættet, sådanne ekstremer var hyppigere end forskerne forventede.

"Min intuition var, at biologi ville have færre yderpunkter, " siger Steve Carpenter, direktør for UW-Madison Center for Limnology og medforfatter til undersøgelsen. "Men der blev sat nye rekorder hele tiden."

Lystfiskere på Madison, Wisconsins Lake Mendota, del af LTER, kan have oplevet disse ekstremer på egen hånd. I de 30 år, hvor forskere har registreret fiskebestande, en gennemsnitlig fangstrate for den populære og velsmagende pandefisk, blågælle, var omkring fem fisk i timens fiskeri. Men, i 1983 og igen i 2004, at fangsthastigheden var over 30 i timen.

Den nærliggende Lake Monona viser lignende potentiale for ekstremer. Fra 1995 til begyndelsen af ​​2000'erne, blågællepopulationer svingede mellem omkring 200, 000 og 300, 000 fisk. Derefter, i 2002, det tal steg til en ny ekstrem på 500, 000, næsten en fordobling af det tidligere høje karakter. Kun tre år efter det det toppede ved omkring 800, 000 fisk.

Batt valgte at fokusere på "booms not busts", fordi det var mere interessant og lidt kontraintuitivt. "Vi ser altid på biologi som at skulle håndtere ekstreme begivenheder i miljøet, som om der var en hedebølge, og en flok fisk døde, eller der var en kold bølge, og en flok fisk døde, " siger han. "Vi har en tendens til altid at tænke på, at miljøet har ekstremer, der er dødelige. Det jeg gerne ville vide er, hvad er muligt ud over, hvad jeg kan forestille mig?"

For at sige, at svaret overraskede, siger forskerne det måske for mildt.

At se sådanne ekstremer i søernes fysiske og kemiske data kræver lang tid og indsamling af datamængder, før nye rekorder sættes, og disse optegnelser var typisk ikke særlig chokerende. Med de biologiske data, Carpenter siger, at forskere ikke behøvede at vente ret længe, og det, de observerede, fik dem til at tænke:"'Wow, det er mere gul aborre, end vi nogensinde har set før.' Med meget, " tilføjer han.

I rapporten, forfatterne foreslår en mekanisme, der kan være drivkraften for dette fænomen. Måske, de foreslår, organismer er klaret til at drage fordel af gode forhold, at forstærke ting som optimale temperaturer eller en stigning i tilgængelige næringsstoffer. År med mindre ekstreme bump under miljøforhold kan svare til hidtil usete boom i fiske- eller algepopulationer, selvom forskerne endnu ikke har testet dette.

Hvis så, siger tømrer, det antyder, at økologer bør tænke mere på de økologiske årsager til ekstremer, mens ressourceforvaltere bør "forvente ekstremer i biologien måske mere, end vores intuition ville få os til at tro."

Faktisk, da menneskelig aktivitet påvirker alle mulige miljøvariabler, fra klimaændringer, tab af levesteder, til næringsstofforurening, vi bør forberede os på stor variation i, hvad disse ændringer betyder for de planter og dyr, der kalder disse økosystemer hjem, siger forskerne. Imidlertid, med den slags variabilitet undersøgelsen afslørede, Tømrer siger, det bliver svært at afgøre, hvad "normale" befolkningsniveauer og grænser kan være.

"Vi skal være forberedte på at se nye rekorder, " siger tømrer.