Лучшие модели для прогнозирования влияния изменений окружающей среды на пищевые сети
Вымирание видов, колебания плотности популяций и массовое цветение водорослей — примеры ожидаемых последствий глобального потепления и переудобрения водоёмов. Войцех Ушко из Университета Умео показывает, как простые математические модели помогают понять механизмы этих явлений и спрогнозировать последствия изменений среды.
В своей диссертации Ушко исследовал, как пищевое поведение хищников, глобальное потепление и обогащение питательными веществами влияют на основные строительные блоки пищевых сетей — взаимодействия «хищник–жертва». Даже небольшое повышение температуры или доступности лимитирующего питательного вещества теоретически может перевести популяции хищников и их жертв из стабильного сосуществования при примерно постоянной плотности к сильным колебаниям или даже к вымиранию хищника. Однако как и когда это происходит, остаётся предметом дискуссий экологов.
Чтобы ответить на этот вопрос, Ушко изучал в лаборатории пищевое поведение модельного организма — водяной блохи Daphnia (широко распространённого зоопланктона), а также анализировал математические модели, описывающие динамику популяций Daphnia и их водорослевой пищи в открытых водах озёр.
Хотя обогащение питательными веществами может сместить динамику «хищник–жертва» от стабильной к колебательной, хищник и жертва могут стабильно сосуществовать, если хищник снижает усилия по добыче пищи при низкой плотности жертвы.
«Мои лабораторные эксперименты показали, что Daphnia демонстрируют именно такое пищевое поведение, что ранее упускалось из виду, несмотря на хорошую изученность этого организма», — говорит Ушко.
Однако то, сосуществуют ли хищник и жертва стабильно, также зависит от температуры окружающей среды.
«Результаты экспериментов и моделирования показывают, что существует оптимальный температурный диапазон для питания, и Daphnia имеют низкую скорость потребления пищи как ниже, так и выше оптимальных температур. Это, в свою очередь, позволяет их водорослевой жертве периодически выходить из-под контроля хищника, что приводит к колебаниям популяций и в конечном итоге к вымиранию хищника при температурах, далёких от оптимальных».
В своей диссертации Ушко предлагает единую теоретическую основу, которая может объединить множество зачастую противоречивых предыдущих выводов о влиянии температуры и обогащения на стабильность популяций.
«Знание о том, снижает ли хищник усилия по добыче пищи при низкой плотности жертвы, и о том, что эффективность хищника снижается как ниже, так и выше оптимального температурного диапазона, — это две ключевые особенности для правильного прогнозирования последствий потепления и обогащения питательными веществами. Эти две функции ранее игнорировались в моделях влияния глобальных изменений на пищевые сети».
Прогнозы модели сравнивались с результатами полевого эксперимента. Они согласуются с экспериментальными данными, показывая, что потепление может привести к массовому цветению фитопланктона и, что контринтуитивно, почти к исчезновению зоопланктона. Оказалось, что в более тёплых условиях водоросли обгоняют в росте своих хищников-зоопланктон и поэтому сталкиваются с ограничением питательных веществ. В результате водоросли становятся обильными, но крайне низкого пищевого качества и не могут поддерживать рост зоопланктона.
«Эффекты потепления могут быть очень разнообразными и часто контринтуитивными. Выявление нескольких критических процессов и их включение в математические модели может помочь экологам правильно описывать и прогнозировать влияние изменений окружающей среды на пищевые сети», — заключает Ушко.