Медленная наука для понимания быстрых изменений

В быстро меняющемся мире Сеть долгосрочных экологических исследований (Long Term Ecological Research, LTER) может казаться анахронизмом. Однако терпение и настойчивость, позволившие за 40 лет получить тщательные и надежные данные об изменяющихся экосистемах Земли, могут оказаться именно тем, что нужно в этом стремительно меняющемся мире. Ученые не ждут хрустального шара — он им и не нужен. Используя десятилетия богатых данных, они начинают прогнозировать будущие условия и планировать способы управления, смягчения последствий или адаптации к вероятным изменениям в экосистемах, которые повлияют на экономику, здоровье и благополучие человека.

Национальный научный фонд США (NSF) создал сеть LTER более 40 лет назад как альтернативу моделям финансирования, которые отдавали предпочтение постоянным инновациям в ущерб преемственности. Эта модель оказалась чрезвычайно успешной в достижении обеих целей.

В этом месяце в открытом журнале Экологического общества Америки Ecosphere исследователи LTER представили примеры того, как меняющиеся популяции — рыб, трав, деревьев, водорослей, птиц и других — как отражают, так и влияют на структуру и устойчивость экосистем. Сборник исследований содержит 25 примеров неожиданных выводов, сделанных на основе долгосрочных исследований популяций растений, животных и микробов — это лишь малая часть полезных знаний, генерируемых этой программой.

Эколог Питер Гроффман, руководивший созданием специального сборника, отмечает, что программа хорошо подготовлена для обнаружения крупных изменений. «Изменение климата влияет на экологические системы очень сложными способами, которые трудно увидеть и оценить, — сказал Гроффман. — Наблюдения в один момент времени или одним методом показывают лишь часть ситуации. Ученые сети LTER объединяют долгосрочные наблюдения, эксперименты, модели и теории, чтобы составить более полную картину».

Он также подчеркивает, что командный подход программы был ключевым для ее успеха. «Сотрудничество и инклюзивность сети значительно облегчают нашу способность решать самые сложные вопросы в экологии и науках об окружающей среде и делиться этой информацией с миром», — пояснил он.

Примеры исследований сгруппированы вокруг пяти основных тем:

• Смена состояния. Экологи десятилетиями знали, что одно небольшое дополнительное воздействие может перевести экосистему из прерии в кустарниковые заросли или из мангрового леса в эстуарий. Но просто распознать истинную смену состояния, не говоря уже о том, чтобы предвидеть и избежать таких переходов, до сих пор было практически невозможно. На участке LTER «Прерия Коназа» экспериментальные манипуляции с частотой пожаров, выпасом, климатом и питательными веществами позволяют исследователям выявить признаки надвигающегося перехода от прерии к можжевеловому редколесью, факторы (например, уменьшение частоты пожаров), которые усугубляют эти сдвиги, и условия, необходимые для восстановления.
• Связанность. Объединение исследователей из разных дисциплин в одном месте позволяет ученым LTER discern связи между воздухом, водой, растениями, микробами, почвой и людьми, которые трудно уловить отдельным исследователям. В Сухих долинах Мак-Мердо в Антарктиде летние температуры обычно держатся около точки замерзания. Лето 2002 года было немного теплее и ветренее среднего, но солнечная радиация оставалась стабильной. Внезапно в этом обычно сухом и замерзшем ландшафте потекли ручьи, расцвели почвенные организмы и увеличилась продуктивность озер. Жидкая вода соединила компоненты ландшафта, которые в остальное время оставались разделенными. Исследователи LTER, прекрасно знакомые с обычным диапазоном условий, смогли зафиксировать и проанализировать каждый нюанс изменений.
• Временные лаги. Временные лаги — это «холодные дела» в экологии. Нечто — изменение методов управления, пожар или ураган, появление или исчезновение вида — меняет реакцию экосистемы годы или десятилетия спустя. Не зная истории системы, легко принять последнюю каплю за первопричину. Два десятилетия медленного потепления температуры поверхности моря, перемежающиеся десятилетними колебаниями Эль-Ниньо и Тихоокеанской декадной осцилляции, казалось, не произвели заметных изменений в популяциях криля в экосистеме Калифорнийского течения. Только когда исследователи также включили предыдущие 40 лет наблюдений по связанному проекту, они обнаружили увеличение популяций криля — вызванное более высокими концентрациями питательных веществ в более глубоких слоях океана.
• Каскадные эффекты. Многослойные сложные связи в экосистемах могут вызывать распространение изменений непредсказуемыми способами. В простейшем примере снижение давления хищников снимает пресс с популяции травоядных. Выживает больше травоядных, что, в свою очередь, опустошает растительность в основании пищевой цепи. В озере Галл в Мичигане усиленный рост токсичной цианобактерии Microcystis последовал за появлением в начале 1990-х годов дрейссены. Обычно Microcystis лучше развивается в более теплой воде, но по мере роста температуры воды в озере Галл популяции Microcystis сокращались. Множественные эксперименты показали, что присутствие дрейссены способствовало росту Microcystis, возможно, за счет поедания ее конкурентов. Когда волна жары вызвала массовую гибель дрейссены в озере Галл, содержание токсина микроцистина снизилось примерно на ~80%, что подтвердило экспериментальные результаты в масштабах всего озера.
• Устойчивость. Какие качества позволяют экосистеме сохранять свои основные функции перед лицом меняющихся условий? Или вернуться к прежней базовой форме после серьезного нарушения? Поскольку температура, питательные вещества, штормы, вода и биоразнообразие в реальном мире меняются одновременно, контролируемые эксперименты позволяют исследователям LTER разделить взаимодействующие влияния на устойчивость. Эксперимент BioCON, начатый в 1997 году на участке LTER «Седер-Крик», разделяет эффекты потери биоразнообразия, увеличения азота и увеличения углекислого газа, причем добавление азота снижает видовое богатство на 16%. В связанных экспериментах TeRaCON исследователи обнаружили, что высокое биоразнообразие может смягчать микроклиматические условия на величину, эквивалентную 2 градусам Цельсия.