Что определяет устойчивость экосистем?
Исследователи из MIT показали, что поведение сложных экологических сообществ можно предсказать, зная всего два параметра: число видов в сообществе и силу взаимодействия между ними.
В экспериментах с бактериями в лаборатории ученые определили три состояния экологических сообществ и вычислили условия для перехода между ними. Это позволило создать "фазовую диаграмму" для экосистем, аналогичную диаграммам в физике, описывающим переходы воды между твердым, жидким и газообразным состояниями.
"Что удивительно и замечательно в фазовой диаграмме — она суммирует огромное количество информации в очень простой форме", — говорит Джефф Гор, профессор физики MIT.
Динамика популяций
Исследователи создавали сообщества от 2 до 48 видов бактерий, контролируя силу взаимодействий путем увеличения количества пищи (что приводит к росту популяций и изменениям среды, например, закислению).
Результаты подтвердили теоретические предсказания:
- "Стабильное полное сосуществование" — все виды сосуществуют, не мешая друг другу.
- "Стабильное частичное сосуществование" — популяции стабильны, но некоторые виды вымирают. Сообщество возвращается к равновесию.
- Нестабильная фаза — возникают значительные колебания численности популяций. Экосистема становится нестабильной, но при этом в ней сохраняется большая доля видов.
Предсказание поведения
На основе этих данных была построена фазовая диаграмма, описывающая изменения экосистем в зависимости от числа видов и силы взаимодействий. Это аналогично тому, как физики описывают поведение воды, используя только температуру и давление, без знания точной скорости и положения каждой молекулы.
"Мы демонстрируем, что разнообразие и динамика [экосистемы] могут быть эмерджентными явлениями, которые можно предсказать, исходя всего из нескольких совокупных свойств экологического сообщества: размера видового пула и статистики межвидовых взаимодействий", — говорит Цзилян Ху, ведущий автор исследования.
Такой подход позволяет делать прогнозы для природных экосистем (например, лесов), имея минимальную информацию — только о количестве видов и степени их взаимодействия.
"Мы можем делать предсказания о том, что будет делать сообщество, даже в отсутствие детального знания о происходящем", — отмечает Гор.
Сейчас исследователи изучают, как поток новых видов между изолированными популяциями (по аналогии с островными экосистемами) влияет на их динамику. Это может помочь понять, как острова сохраняют видовое разнообразие, несмотря на вымирания.
Исследование опубликовано в журнале Science.