Ранние признаки коллапса популяций
Многие факторы — изменение климата, перелов рыбы или потеря кормовой базы — могут подтолкнуть дикую популяцию к краю коллапса. Экологи давно ищут способы измерить этот риск, чтобы помочь службам охраны природы.
В прошлом году физики из MIT показали, что риск коллапса можно оценить, измеряя скорость восстановления популяции после небольших возмущений (например, нехватки пищи). Однако для этого требуются многолетние данные, и к моменту их получения может быть уже слишком поздно.
В новой статье, опубликованной 10 апреля в онлайн-издании Nature, та же команда описывает новый метод прогнозирования, основанный на вариациях плотности популяции в соседних регионах. Такие пространственные данные получить проще, чем данные о колебаниях во времени.
«Пространственные данные более доступны. Их можно получить со спутниковых снимков или в ходе полевых исследований», — говорит Лей Дай, аспирант MIT по физике и ведущий автор исследования.
Под руководством Джеффа Гора, доцента физики, Дай и Кирилл Королев выращивали дрожжи в пробирках и отслеживали популяции по мере приближения к коллапсу. Дрожжевые клетки кооперируются: каждая выделяет фермент, расщепляющий сахарозу в окружающей среде на простые сахара, которые могут использовать все. Популяция наиболее успешна при поддержании определенной плотности.
В новом исследовании ученые предложили индикатор под названием «длина восстановления» — пространственный аналог времени восстановления. Идея основана на том, что популяции, живущие у границы с менее благоприятной средой обитания, испытывают на себе её влияние из-за миграции. По мере удаления от «плохого» региона популяции постепенно восстанавливают равновесие. Пространственный масштаб этого восстановления и показывает уязвимость популяции к коллапсу.
Эксперимент с дрожжами
Исследователи создали несколько связанных дрожжевых популяций в состоянии равновесия. Каждый день определенный процент каждой популяции переносили в соседние пробирки, имитируя миграцию.
Затем они ввели «плохую» среду обитания, где выживала только 1 из 2500 дрожжей. Это сокращение имитирует последствия перелова или резкого сокращения кормовой базы в природе.
Команда MIT обнаружила, что популяции, ближайшие к «плохой» среде, с трудом поддерживали равновесие. Популяции, расположенные дальше, сохраняли равновесие легче.
«Есть некоторое расстояние, на которое нужно отойти от плохого региона, чтобы добиться восстановления плотности популяции. То, как далеко вам нужно уйти, чтобы достичь равновесия, и есть длина восстановления, и она показывает, насколько близки эти популяции к коллапсу», — говорит Джефф Гор.
Длина восстановления меняется в зависимости от уровня стресса, который уже испытывают популяции.
Практическое применение
Чтобы применить этот метод к природной популяции, нужно измерить её плотность в ряде соседних районов на разном расстоянии от границы «хорошей» и «плохой» среды. Эти данные можно нанести на карту, чтобы выявить длину восстановления.
«Что замечательно в длине восстановления, так это то, что вам не нужен длинный временной ряд. Вы можете измерить её в один момент времени», — отмечает Гор.
Исследователи из MIT надеются применить свои методы к природным популяциям, таким как медоносные пчелы, рыбные запасы или леса, а также изучают более сложные экспериментальные экосистемы с участием нескольких видов микробов.