Обнаружен ранний сигнал экосистемной катастрофы
Исследователи, отслеживающие сложные сигналы из удаленного озера в Висконсине, обнаружили то, что они называют недвусмысленным предупреждением — предвестником коллапса водной экосистемы озера.
Это открытие, опубликованное 29 апреля в журнале Science группой исследователей под руководством лимнолога Стивена Карпентера из Университета Висконсин-Мэдисон, является первым экспериментальным доказательством того, что радикальные изменения в экосистеме можно обнаружить заранее, возможно, чтобы предотвратить экологическую катастрофу.
«Долгое время экологи считали, что такие изменения невозможно предсказать, — говорит Карпентер. — Но теперь мы показали, что их можно предвидеть. Раннее предупреждение очевидно. Это сильный сигнал».
Исследование, поддержанное Национальным научным фондом (NSF), имеет большое значение. Оно предполагает, что при правильном мониторинге можно отслеживать жизненно важные показатели любой экосистемы и вмешаться вовремя, чтобы предотвратить часто необратимый ущерб окружающей среде.
«При дальнейшей работе это может революционизировать управление экосистемами, — утверждает Карпентер. — Концепция была подтверждена в полевом эксперименте, и тот факт, что она сработала в этом озере, открывает двери для тестирования на пастбищах, в лесах и морских экосистемах».
Экосистемы часто меняются радикально. Озера, леса, пастбища, коралловые рифы и многие другие экосистемы трансформируются из-за перелова, насекомых-вредителей, химических изменений в окружающей среде, перевыпаса и изменения климата.
Для людей изменения экосистем могут влиять на экономику и средства к существованию, например, когда леса гибнут от насекомых-вредителей, пастбища — от перевыпаса, а рыболовство — от чрезмерной эксплуатации.
Яркий пример коллапса ресурса — промысел атлантической трески. Когда-то самая многочисленная и востребованная рыба в Северной Атлантике, запасы трески рухнули в 1990-х годах из-за перелова, что вызвало широкомасштабные экономические трудности в Новой Англии и Канаде. Теперь способность обнаруживать, когда экосистема приближается к переломному моменту, может помочь предотвратить такие катастрофы.
В новом исследовании ученые из Висконсина в сотрудничестве с группами из Института экосистемных исследований Кэри (Нью-Йорк), Университета Вирджинии и Колледжа Св. Норберта (Висконсин) сосредоточили внимание на озерах Питер и Пол — двух изолированных и нетронутых озерах на севере Висконсина. Озеро Питер (площадью 2.4 га) было объектом манипуляций, а соседнее озеро Пол служило контролем.
Группа под руководством Карпентера в течение трех лет экспериментально манипулировала озером Питер, постепенно добавляя в него хищных большеротых окуней. Ранее в озере доминировала мелкая рыба, питавшаяся водяными блохами (зоопланктоном). Целью было дестабилизировать пищевую сеть озера до состояния, когда в ней начнут доминировать крупные хищники. Ожидалось относительно быстрое каскадное изменение биологического сообщества озера, затрагивающее все его растения и животных.
«Мы начали добавлять этих больших свирепых рыб, и почти сразу это вселило страх в другую рыбу, — объясняет Карпентер. — Мелкая рыба начинает чувствовать неприятности, перестает выходить на открытую воду и вместо этого держится у берега и укрытий, таких как затонувшие бревна. Они становятся более осторожными».
Биологическим результатом стало то, что озеро превратилось в «рай для водяных блох». Система стала такой, где фитопланктон, предпочитаемая пища водяных блох, стал крайне нестабильным.
«Фитопланктон подвергается мощному воздействию, и в какой-то момент система переходит в новый режим», — говорит Карпентер.
В течение трех лет манипуляций все химические, биологические и физические показатели озера непрерывно отслеживались, чтобы зафиксировать даже малейшие изменения, предвещающие то, что экологи называют «сменой режима» — радикальным и быстрым переходом экосистемы из одного типа в другой. Именно в этих массивах данных Карпентер и его коллеги смогли обнаружить сигналы надвигающегося коллапса экосистемы.
Экологи впервые обнаружили такие сигналы в компьютерных симуляциях вспышек численности елового почкоеда. Каждые несколько десятилетий популяции этого насекомого резко возрастают, вызывая обезлесение в бореальных лесах Канады. Однако компьютерные модели виртуальной вспышки показывали странные скачки непосредственно перед ней.
Проблему решил Уильям «Баз» Брок, профессор экономики UW-Madison, десятилетиями работавший над математическими связями экономики и экологии. Брок использовал раздел прикладной математики, известный как теория бифуркаций, чтобы показать, что странное поведение на самом деле является ранним предупреждением о катастрофическом изменении. Короче говоря, он разработал способ почувствовать трансформацию экосистемы, обнаруживая тонкие изменения в естественных паттернах изменчивости системы.
Результатом полевого эксперимента на озере Питер, по словам Карпентера, стала подтвержденная статистическая система раннего предупреждения о коллапсе экосистемы. Однако для работы этой системы требуется интенсивный и непрерывный мониторинг химического состава, физических свойств и биоты экосистемы.
Такой подход может быть нецелесообразным для каждой угрожаемой экосистемы, говорит Карпентер, но он также указывает на цену бездействия: «Эти смены режима, как правило, трудно обратить вспять. Это похоже на неуправляемый поезд, когда он набирает ход, а затраты — как экологические, так и экономические — высоки».