Μια έγκαιρη επιδιόρθωση για μια μεγάλη θεωρία της φύσης
Το 2011, ο οικολόγος Ryan Chisholm εξέταζε δεδομένα απογραφής δέντρων από 12 διαφορετικά δάση σε όλο τον κόσμο. Περισσότερα από 4.000 είδη δέντρων αναπτύχθηκαν σε αυτά τα μέρη, με τον αριθμό τους να αυξάνεται και να μειώνεται με τα χρόνια. Οι εικόνες που ζωγράφισαν οι αριθμοί ήταν οικοσυστημάτων όπου η τύχη ενός είδους μπορούσε να αλλάξει σχεδόν εν μία νυκτί, σε οικολογική κλίμακα. Για παράδειγμα, ένα μικρό δέντρο με γυαλιστερά φύλλα που ονομάζεται Inga marginata είχε 400 άτομα σε ένα δάσος του Παναμά το 2005. μέχρι το 2010 είχε σχεδόν διπλασιάσει τους αριθμούς του.
Και στα 12 δάση, ωστόσο, μια λεπτομέρεια ήταν ιδιαίτερα αξιοσημείωτη. Η ταχύτητα και το μέγεθος των αλλαγών δεν έμοιαζαν καθόλου με αυτό που θα είχε προβλεφθεί από μια από τις κορυφαίες θεωρίες της θεωρητικής οικολογίας. Τα μοντέλα που βασίζονται σε αυτή την ιδέα, που ονομάζεται ουδέτερη θεωρία, έχουν δείξει ότι η κατανομή των ειδών στο τοπίο μπορεί να εξηγηθεί χρησιμοποιώντας εκπληκτικά απλές εισροές. Εδώ όμως η θεωρία κατέρρεε. «Κοιτάτε πόσο μεγάλες είναι αυτές οι διακυμάνσεις», είπε ο Chisholm. «Και είναι απλά τεράστιες. Είναι πολύ μεγαλύτερα από ό,τι προβλέπει η ουδέτερη θεωρία. … Τάξεις μεγέθους μεγαλύτερες.”
Όταν ο Chisholm έδωσε μια ομιλία στο Smithsonian Tropical Research Institute στον Παναμά, όπου ήταν μεταδιδάκτορας, έμαθε ότι άλλοι άνθρωποι είχαν παρατηρήσει το ίδιο πράγμα. Όποιες κι αν ήταν οι επιτυχίες της, η ουδέτερη θεωρία δεν άλλαξε καθόλου καλά το μοντέλο - ακόμη και οι εκτιμήσεις της για το πόσο χρόνο θα χρειαζόταν ένα είδος για να εξαφανιστεί μπορεί να είναι δεκάδες έως εκατοντάδες φορές περισσότερες από την πραγματικότητα. Έκτοτε, μια σειρά από έγγραφα από διάφορες ομάδες, συμπεριλαμβανομένου ενός του Chisholm και συνεργατών που εμφανίστηκαν χθες στο Ecology , κοιτάξτε να απαντήσετε στην ερώτηση:Μπορεί η ουδέτερη θεωρία να προσαρμοστεί έτσι ώστε να δείχνει αλλαγές με την πάροδο του χρόνου; Και είναι δυνατόν να συνδέσουμε ένα όμορφα απλό μοντέλο πιο στενά με την περίπλοκη ακαταστασία της βιολογίας χωρίς να καταστρέψουμε το μοντέλο;
Σε ένα ουδέτερο μοντέλο, κάθε άτομο σε ένα οικοσύστημα, ανεξάρτητα από το είδος, ξεκινά με την ίδια φυσική κατάσταση. Καθώς περνούν τα χρόνια, ρίχνονται μεταφορικά ζάρια για κάθε άτομο να αποφασίσει αν θα πεθάνει ή θα αναπαραχθεί. Νέα άτομα φτάνουν έξω από τα σύνορα της κοινότητας και κάθε τόσο αναδύεται ένα νέο είδος. Με την πάροδο του χρόνου, τα αποτελέσματα αυτών των διαδικασιών συσσωρεύονται σε αυτό το σύμπαν τσέπης. Το μοντέλο δεν περιλαμβάνει τίποτα σχετικά με τις διαφορές μεταξύ των ειδών, ή για τις θέσεις όπου ένα είδος μπορεί να ευδοκιμήσει ενώ ένα άλλο αποτυγχάνει, ή για το αν έχει χτυπήσει τυφώνας ή ξηρασία - απλώς θέτει μια ορισμένη προ-προγραμματισμένη τυχαιότητα. Μετά από λίγο, οι οικολόγοι που μελετούν αυτό το σύμπαν τσέπης μπορεί να πατήσουν το κουμπί παύσης και να δουν πώς έχει εξελιχθεί η περιοχή. Ανάλογα με το πώς έχουν στήσει το μοντέλο, οι οικολόγοι θα μπορούσαν να εξετάσουν πόσα άτομα υπάρχουν για κάθε είδος, για παράδειγμα, ή πώς τα είδη έχουν παραταχθεί σε όλο το τοπίο.
Για ορισμένα μέρη, συμπεριλαμβανομένων των τροπικών τροπικών δασών και των κοραλλιογενών υφάλων, η εικόνα που δημιουργείται με αυτόν τον τρόπο μοιάζει εντυπωσιακά με τις παρατηρήσεις των βιολόγων πεδίου που μετρούν δέντρα σε απομακρυσμένες ζούγκλες ή είδη κοραλλιών στον πυθμένα του ωκεανού. «Η ουδέτερη θεωρία ήταν ένα χτύπημα γιατί πρότεινε ότι πολλή πολυπλοκότητα της φύσης μπορεί να προσεγγιστεί, ως πρώτη τουλάχιστον προσέγγιση, με ένα πολύ απλό μοντέλο που υποθέτει ότι οι πιο τυχεροί, παρά οι πιο ικανοί, είναι αυτοί που επιβιώνουν και ακμάζουν. και όλα τα είδη είναι πανομοιότυπα», δήλωσε ο Michael Kalyuzhny, μεταπτυχιακός φοιτητής στη θεωρητική οικολογία στο Εβραϊκό Πανεπιστήμιο της Ιερουσαλήμ. Παραδόξως, αυτή η θεωρία ήταν πολύ επιτυχημένη στο να εξηγήσει την κοινότητα, τη σπανιότητα και τον αριθμό των ειδών σε πολλές οικολογικές κοινότητες.
Οι επιτυχίες της θεωρίας έχουν σημασία επειδή βοηθούν τους οικολόγους να κατανοήσουν τι μπορεί να δημιουργεί πρότυπα στα οικοσυστήματα. Είναι ένα συγκλονιστικό γεγονός, για παράδειγμα, ότι η πλειονότητα των ειδών δέντρων στα τροπικά δάση σε όλο τον κόσμο είναι σπάνια. Θα περίμενε κανείς ότι τα σπάνια είδη θα υπερτερούσαν αριθμητικά και θα εκτοπίζονταν τελικά από τα κοινά είδη, αλλά αντ' αυτού τα σπάνια είδη επιμένουν. Τα περισσότερα οικολογικά μοντέλα δεν μπορούν να μιμηθούν αυτήν την κατάσταση. Αλλά τυχαίνει να είναι μια από τις πιο θριαμβευτικές επιτυχίες της ουδέτερης θεωρίας, υπονοώντας ότι η εμμονή της σπανιότητας δεν απαιτεί τίποτα πιο περίπλοκο από την τυχαιότητα και τη μετανάστευση νέων ειδών.
Πέρα από τη χρησιμότητά της στη βασική επιστήμη, η κατανόηση προτύπων μεγάλης κλίμακας στη βιοποικιλότητα έχει πρακτικές επιπτώσεις. Εάν οι διαχειριστές διατήρησης έχουν πληρέστερη κατανόηση της κατανομής των σπάνιων και κοινών ειδών, μπορούν να χειριστούν καλύτερα τα οικοσυστήματα υπό τη φροντίδα τους, δήλωσε ο Tak Fung, μεταδιδάκτορας στο εργαστήριο του Chisholm στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης και ο κύριος συγγραφέας της νέας εργασίας. .
Αλλά ένα ουδέτερο μοντέλο λειτουργεί μόνο εάν οι οικολόγοι στατικής εικόνας δουν όταν σταματούν την προσομοίωση είναι το μόνο που αναζητούν — αν θέλουν απλώς ένα στιγμιότυπο. Αν, αντί να εξετάσουν τη γενική επίδραση του μοντέλου, θέλουν να δουν πώς συμπεριφέρεται σε πολλά σημεία με την πάροδο του χρόνου, η ομοιότητα με την πραγματικότητα διαλύεται. Στον πραγματικό κόσμο, περιπτώσεις όπως αυτή του Inga marginata, που διπλασίασε τους αριθμούς του μέσα σε πέντε χρόνια, είναι κοινά. Αλλά σύμφωνα με το ουδέτερο μοντέλο, οι πιθανότητες το δέντρο να διπλασιάσει τον πληθυσμό του από τη μια απογραφή στην άλλη είναι περίπου 1 στις 10, υπολογίζει ο Chisholm — γελοία μικρές. "Θέλουμε να μάθουμε [τι λείπει,] τι είδους παράγοντες οδηγούν αυτές τις μεγάλες διακυμάνσεις στην αφθονία των ειδών", είπε ο Fung.
Ο Fung και άλλοι πιστεύουν ότι αυτό που λείπει θα μπορούσε να είναι οι επιπτώσεις των περιβαλλοντικών αλλαγών - ένα κρύο ή κύμα καύσωνα ή πλημμύρα που μπορεί να επηρεάσει δραματικά τη φυσική κατάσταση ενός είδους. Η ιδέα είναι ότι αυτές οι αλλαγές έχουν σημασία μακροπρόθεσμα, με τα αποτελέσματα να συσσωρεύονται και να επηρεάζουν την εξέλιξη του οικοσυστήματος. Στη νέα μελέτη, η ομάδα επικεντρώνεται σε δύο δάση, ένα στον Παναμά και ένα στη Μαλαισία. Χρησιμοποιώντας δεδομένα απογραφής που καλύπτουν σχεδόν 30 χρόνια, παρουσιάζουν δύο αντίθετα μοντέλα κάθε δάσους. Το ένα μοντέλο είναι ουδέτερο μοντέλο και το άλλο περιλαμβάνει επιπλέον παραλλαγή που προορίζεται να αντικατοπτρίζει την περιβαλλοντική αλλαγή.
Στο δεύτερο μοντέλο, αντί να ρίχνονται τα ζάρια για κάθε άτομο στο δάσος, ρίχνονται για κάθε είδος. Εάν ένα άτομο ενός συγκεκριμένου είδους έχει μια κακή χρονιά, όλα τα μέλη αυτού του είδους θα έχουν μια κακή χρονιά. Και αν ένα άτομο έχει καλή χρονιά, το ίδιο κάνει και ολόκληρο το είδος. Η διαδικασία έχει σκοπό να αντικατοπτρίζει τι μπορεί να συμβαίνει όταν υπάρχει διάχυτη περιβαλλοντική αλλαγή. Για παράδειγμα, ίσως μια ξηρασία χτυπήσει το δάσος. Ένα είδος που ευδοκιμεί στην ξηρασία θα πολλαπλασιαστεί, ενώ ένα που χρειάζεται πολύ νερό θα αποτύχει να αναπαραχθεί. «Αν σκεφτείτε τι σημαίνει αυτό σε έναν πληθυσμό 1.000 ατόμων», είπε ο Chisholm, «μπορούν όλοι να έχουν μια καλή χρονιά και όλοι να αναπαραχθούν, και τότε θα έχετε μια μεγάλη αύξηση στο μέγεθος του πληθυσμού. Ή μπορεί να έχουν όλοι μια κακή χρονιά, και ένα σωρό από αυτά να πεθάνουν και να έχετε μεγάλη μείωση.»
Οι ερευνητές έτρεξαν κάθε προσομοίωση τους χιλιάδες φορές, για να δουν ποιο ήταν το εύρος των αποτελεσμάτων για κάθε μοντέλο. (Η εργασία κράτησε ένα σύμπλεγμα υπολογιστών απασχολημένο για μήνες.) Έπειτα, έψαξαν να δουν αν τα πραγματικά δεδομένα από τα δάση — πλήθος δέντρων που συγκεντρώθηκαν με κόπο σε πολλά εκτάρια — εμπίπτουν σε αυτά τα όρια.
Και τα δύο μοντέλα προσέγγιζαν καλά το μείγμα σπάνιων και κοινών ειδών, βρήκαν. Τα δύο μοντέλα προέβλεψαν επίσης τόσο τον συνολικό αριθμό των ειδών όσο και τον συνολικό αριθμό ατόμων. Αλλά μόνο το μοντέλο με περιβαλλοντική διακύμανση θα μπορούσε να προσεγγίσει τις αλλαγές στον αριθμό κάθε είδους με τα χρόνια.
Είναι ένα συναρπαστικό εύρημα για τον Kalyuzhny, ο οποίος δεν συμμετείχε σε αυτή τη δουλειά, καθώς αυτός και οι συνάδελφοί του βρήκαν κάτι παρόμοιο με ένα άλλο μοντέλο που ενσωματώνει την περιβαλλοντική αλλαγή. Πριν από αυτές τις ανακαλύψεις, κανείς δεν γνώριζε εάν η εισαγωγή της επιπλέον παραλλαγής θα μπορούσε να αναπαράγει τις δυνατότητες της ουδέτερης θεωρίας και επίσης να εξηγήσει τις διακυμάνσεις. Τώρα τουλάχιστον δύο ομάδες έχουν διαπιστώσει ότι μπορούν.
Τα ευρήματα είναι μέρος μιας ευρύτερης τάσης που υπόσχεται να λύσει τα προβλήματα της ουδέτερης θεωρίας με την πρόβλεψη για πόσο καιρό θα υπάρχει ένα είδος, δήλωσε ο Steve Pacala, οικολόγος στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον που ενδιαφέρεται για την ουδέτερη θεωρία, αν και δεν εστιάζει ο ίδιος σε αυτήν. Σημειώνει ότι η ουδέτερη θεωρία και άλλες παρόμοιες ιδέες δεν είναι απαραίτητα δημοφιλείς σε πολλούς οικολόγους. «Οι βιολόγοι διδάσκονται να σέβονται το συγκεκριμένο», είπε. «Το να είσαι καλός βιολόγος πεδίου, ειδικά τροπικός βιολόγος, σημαίνει να βλέπεις κάτι σε ένα τροπικό δάσος και να προσδιορίσεις αυτό που κανείς άλλος δεν μπορεί, ή να ανακαλύψεις κάτι που είναι ιδιαίτερο και νέο, όμορφο και υπέροχο. Εδώ έχετε ένα σωρό άτομα που προσπαθούν να μοντελοποιήσουν το σύστημα σαν να μην έχει καμία απολύτως σημασία καμία από τις ειδικές ιδιότητες των οργανισμών, και στη συνέχεια να πάρουν αρκετά σωστά. … Νομίζω ότι οι συντάκτες της εργασίας βρίσκονται πραγματικά στην πρωτοπορία αυτής της περιοχής. Αν και συνεχίζουν να δέχονται αρκετή αντίσταση, νομίζω ότι μάλλον έχουν δίκιο."
Ωστόσο, η μελέτη αφήνει ορισμένα σημαντικά ερωτήματα αναπάντητα. Ο Steve Hubbell, οικολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες, ο οποίος ανέπτυξε πρώτος την ουδέτερη θεωρία, είπε ότι η εργασία και άλλα παρόμοια δείχνουν ότι είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη η περιβαλλοντική διακύμανση προκειμένου να λειτουργήσει η θεωρία με την πάροδο του χρόνου, τουλάχιστον για ορισμένα είδη. Η περιβαλλοντική διακύμανση φαίνεται να είναι πιο σημαντική για την πρόβλεψη της παραλλαγής των κοινών ειδών από τα σπάνια, είπε, ίσως επειδή τα σπάνια είδη είναι πιο ευαίσθητα στο είδος της τυχαιότητας που έχει ήδη δημιουργηθεί σε ουδέτερη θεωρία.
Όμως, επισημαίνει, η εργασία δεν εξηγεί ποιες μορφές περιβαλλοντικής διαφοροποίησης μπορεί να έχουν προκαλέσει την αλλαγή στα μεγέθη του πληθυσμού. «Δεν μαθαίνουμε τίποτα από αυτό το έγγραφο σχετικά με τις πηγές αυτής της διακύμανσης όσον αφορά το τι την προκαλεί στην πραγματικότητα», είπε. "Το αγοράζω; Νομίζω ότι είναι αλήθεια. Τι μου λέει να κάνω μετά; Δεν γνωρίζω. Υπάρχουν πολλά και ένα πιθανά πράγματα που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε μεγαλύτερη διακύμανση, και είναι ένα μη τετριμμένο θέμα να καταλάβουμε ποια θα πρέπει να είναι τα δεδομένα για να προσδιορίσουμε αυτόν ή αυτόν τον μηχανισμό."
Έτσι, ενώ τα νέα μοντέλα αποδίδουν καλύτερες προβλέψεις, δεν έχουν ακόμη κατέβει από την άποψη των τριάντα χιλιάδων ποδιών τους για την οικολογία για να αντιμετωπίσουν το ενδιαφέρον ζήτημα της αιτίας και του αποτελέσματος. Δεν είναι σαφές ποιες διαταραχές - πλημμύρες, ξηρασίες, πληγές σκαθαριών, αύξηση της θερμοκρασίας, για να αναφέρουμε μερικές από τις μακάβιες δυνατότητες της φύσης - επεκτείνονται από τις επιπτώσεις τους στα άτομα για να διαμορφώσουν ένα οικοσύστημα μακροπρόθεσμα. Και πού ξεθωριάζει η μεγάλη εικόνα που ζωγραφίζουν αυτές οι θεωρίες στον λεπτομερή, ακατάστατο, περίπλοκο κόσμο της βιολογίας πεδίου, όπου ένα είδος μπορεί να καταλάβει μια θέση που κανένα άλλο δεν μπορεί να γεμίσει; Είναι μια ανοιχτή ερώτηση.
Ο Fung είπε ότι η ομάδα του εξετάζει πώς να δοκιμάσει εάν συγκεκριμένες περιβαλλοντικές αλλαγές μπορούν να δημιουργήσουν τα αποτελέσματα που βλέπουν στο μοντέλο τους. «Είναι μια δύσκολη ερώτηση», είπε. «Νομίζω ότι πρέπει να είμαστε έξυπνοι για να επιλέγουμε αυτά στα οποία θέλουμε να εστιάσουμε». Οι αλλαγές στη θερμοκρασία και τις βροχοπτώσεις είναι πιθανές υποψήφιες, αλλά η ομάδα θα πρέπει πρώτα να αποκρυπτογραφήσει τις σχέσεις μεταξύ αυτών των αλλαγών και των αριθμών που χρησιμοποιούνται στο μοντέλο της - δηλαδή, να προσδιορίσει πώς η βροχή ή η ζέστη ή οι καταιγίδες επηρεάζουν τη φυσική κατάσταση διαφορετικών ειδών. Κατά την άποψη του Fung, αυτό το έργο θα ξεδιπλωθεί κατά τη διάρκεια των επόμενων δύο δεκαετιών.
Η προσθήκη περισσότερων λεπτομερειών στην ουδέτερη θεωρία μπορεί να φαίνεται ότι εμποδίζει αυτό που είναι καλύτερο - την πρόβλεψη γενικών προτύπων σε πολλά διαφορετικά οικοσυστήματα. Αλλά ίσως αυτό είναι μια αποδεκτή ανταλλαγή. Ο James O'Dwyer, θεωρητικός οικολόγος στο Πανεπιστήμιο του Illinois, Urbana-Champaign, ο οποίος είναι συν-συγγραφέας της νέας εργασίας, προτείνει ότι οι ιδέες υψηλού επιπέδου στην οικολογία, όπως η ουδέτερη θεωρία, μπορεί να είναι σαν τον νόμο του ιδανικού αερίου, μια εξίσωση από τη φυσική που περιγράφει πολύ καλά τις γενικές ιδιότητες των αερίων. Για να κάνουν προβλέψεις σχετικά με άτυπα συστήματα, όπως αυτά σε χαμηλές θερμοκρασίες ή υψηλές πιέσεις, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν ένα άλλο σύνολο πιο ειδικών νόμων. Η ανάπτυξη προσαρμογών στην ουδέτερη θεωρία μπορεί να είναι απαραίτητη με τον ίδιο τρόπο.
Ανεξάρτητα από το ποια μοντέλα τελικά αποδειχθούν τα πιο επιτυχημένα, ο Chisholm είπε ότι το ερώτημα πώς οι περιβαλλοντικές αλλαγές επηρεάζουν την ποικιλομορφία των ειδών στα οικοσυστήματα γίνεται όλο και πιο σημαντικό. «Αν η περιβαλλοντική διακύμανση πρόκειται να αυξηθεί στο μέλλον, ποια θα είναι η επίδραση στη διαφορετικότητα;» αυτός είπε. «Χρειαζόμαστε πραγματικά καλά μοντέλα περιβαλλοντικής διακύμανσης εάν πρόκειται να κάνουμε προβλέψεις για τα οικοσυστήματα. Η δουλειά μας είναι ένα βήμα προς αυτή την κατεύθυνση.”
