Защита избыточности в пищевой сети помогает обеспечить экологическую устойчивость

В 2014 году болезнь эпидемических масштабов охватила западное побережье США. Однако вы могли этого не заметить, если только не находились под водой.

Из-за аномально высокой температуры океана болезнь истощения морских звезд опустошила популяции этих иглокожих от Аляски до Мексики. Это состояние, до сих пор не до конца изученное, уничтожило важного морского хищника — многолучевую морскую звезду (солнечную звезду). Эта звезда была особенно важным хищником для морских ежей. После её исчезновения популяции ежей, на которых она охотилась, резко выросли и опустошили обширные участки лесов ламинарии. Однако колючая напасть, похоже, пощадила некоторые районы, особенно те, где присутствовало несколько видов хищников для ежей, в частности, в пределах морских охраняемых районов (МОР).

Команда морских биологов под руководством недавнего выпускника UC Santa Barbara Джейка Эйсагирре исследовала, какие факторы сдерживали численность ежей в МОР у западных Чаннел-Айлендс. Они обнаружили, что причиной, по-видимому, является избыточность (редундантность) хищников морских ежей и защита, предоставленная им. Результаты предлагают новый взгляд на стратегии управления экосистемами для повышения устойчивости и подчеркивают недооцененное преимущество морских заповедников. Исследование опубликовано в журнале Ecology.

"Эта болезнь истощения морских звезд была очень значимым и быстрым событием", — сказала соавтор исследования Дженнифер Казель. "У нас было много морских звезд на рифах, и в течение одного года их не осталось". Исследователи не видели ни одной солнечной звезды с 2014 года.

Исчезновение солнечной звезды вызвало волновой эффект во всей пищевой сети леса ламинарии — так называемый трофический каскад. Исследование показало, что даже несколько солнечных звезд могли эффективно контролировать популяцию ежей на территории. Без них популяции ежей взорвались, и леса ламинарии во многих местах Калифорнии превратились в "пустоши".

К сожалению, лесу ламинарии проще превратиться в "ежевую пустошь", чем вернуться в исходное состояние. "Существуют обратные связи, которые мешают этому переходу", — сказал ведущий автор Эйсагирре. "Одна из них может заключаться в том, что многочисленные ежи на 'пустошах' голодают и не обеспечивают хищников питанием, поэтому никто не хочет их есть".

Загадочные оазисы

В то время как ежи опустошали обширные участки ламинарии в некоторых регионах, особенно в Северной Калифорнии, исследователи заметили, что ламинария в МОР у Чаннел-Айлендс оставалась относительно здоровой. Они предположили, что это может быть связано с двумя другими хищниками ежей в регионе: калифорнийской овсянкой (рыба-баран) и калифорнийским колючим лобстером.

Оба этих вида встречаются в основном в Южной Калифорнии и являются объектами интенсивного промысла. "Мы предположили, что защита этих других хищников, даже несмотря на их невысокую численность в западной части Чаннел, могла помочь компенсировать потерю солнечной звезды", — сказала соавтор Кэти Дэвис.

Мозаичное расположение МОР вокруг Чаннел-Айлендс предоставило идеальные условия для проверки влияния морских заповедников на хищников морских ежей и, соответственно, на самих ежей. Соседние районы практически идентичны, за исключением их статуса (открыт или закрыт для рыболовства). Более того, исследовательская группа собирает данные в этом районе более 20 лет в рамках долгосрочного экологического проекта PISCO.

Команда изучила данные за несколько лет до и после начала болезни морских звезд, чтобы увидеть, как изменилось сообщество хищников ежей. Они использовали статистические модели, чтобы исследовать, как различные переменные — размер и численность трех хищников, охранный статус участков, температура поверхности моря — могли повлиять на популяции ежей. Эти модели показали, что важны были не только обилие, но и размер оставшихся в системе хищников.

Разнообразие и избыточность

До начала болезни наибольшее влияние на популяции ежей оказывала численность солнечных звезд. Однако после вспышки лучшими предикторами численности ежей стали обилие и размер оставшихся хищников. Сравнивая различные участки, исследователи обнаружили, что хищники были более многочисленными и крупными в пределах охраняемых территорий.

Ученые пришли к выводу, что морские охраняемые районы освободили хищников от промыслового давления, поэтому они смогли эффективно заполнить пустоту, оставшуюся после гибели солнечных звезд. За пределами охраняемых территорий, где хищники мельче и менее многочисленны, они были менее способны компенсировать потерю морских звезд. Это одно из первых исследований, показывающих, что МОР могут обеспечивать устойчивость экосистемы, защищая критически важные функции видов.

"Когда у вас есть несколько разных видов, выполняющих сходные функции, если с одним из них происходит катастрофа, эти функции все еще могут поддерживаться", — объяснила Казель. В данном случае функцией было хищничество, но концепция применима более широко.

Ситуация в Северной Калифорнии подтвердила вывод команды. Океан к северу от Сан-Франциско слишком холоден для овсянки и лобстеров, а каланы, хорошо обосновавшиеся на Центральном побережье, не смогли закрепиться к северу от залива. В результате популяция ежей росла практически бесконтрольно после исчезновения солнечной звезды. Колючие орды с тех пор опустошили леса ламинарии в Северной Калифорнии и на Тихоокеанском Северо-Западе.

Ученые также обнаружили, что размер хищников имеет большое значение, особенно для овсянки. "Больше всего нас удивило то, что даже очень небольшие различия в размере овсянки приводили к очень большим различиям в том, сколько ежей они могли съесть", — сказала Казель. Это связано с тем, что у более крупных рыб больше рты, которые могут разгрызать более крупных морских ежей.

Одним из наиболее распространенных эффектов морских заповедников является то, что рыбы становятся крупнее и многочисленнее. Многие исследования показали, что это увеличивает скорость размножения, поскольку более крупные рыбы выпускают непропорционально больше икринок. Однако это исследование — одно из первых, которое подчеркивает другой, недооцененный эффект: более крупные рыбы также лучше контролируют ежей, поедая больше их, в том числе более крупных и плодовитых особей.

"И это важно, потому что даже небольшие различия в промысловом давлении могут привести к таким различиям в размерных классах для овсянки", — добавила Казель.

"Мы движемся к ситуации, когда управляющие ресурсами и их пользователи серьезно обсуждают активное восстановление лесов ламинарии и других мест обитания, изменяемых изменением климата. Восстановление может быть единственным вариантом, если мы хотим, чтобы леса ламинарии сохранили свои функции и разнообразие", — продолжила она. К счастью, эти результаты показывают, что мы можем управлять экосистемами для повышения устойчивости к изменениям окружающей среды, защищая несколько видов, выполняющих критические функции, и признавая, что избыточность важна.

В будущем команда хочет изучить механизмы обратной связи, особенно с участием овсянки, с целью понять, как эти знания можно использовать для восстановления экосистем. Они также продолжат долгосрочный мониторинг, уделяя особое внимание пониманию эффективности морских охраняемых районов и того, как они обеспечивают устойчивость к изменению климата.