Новая экологическая модель использует турнирный подход для описания биоразнообразия

Ученые из Чикагского университета создали новую математическую модель экологии, которая наиболее точно воспроизводит естественное биоразнообразие, согласно статье в журнале Nature.

Почти столетие экологи представляли экосистему как сумму парных взаимодействий (хищник–жертва, травоядное–растение, паразит–хозяин). Однако уравнения, основанные на этой теории, не могли воспроизвести разнообразие и устойчивость природных экосистем.

Команда под руководством Стефано Аллесины, профессора экологии и эволюции, развила предыдущую работу, моделировавшую конкуренцию по принципу «Камень, Ножницы, Бумага». Ученые обнаружили, что добавление дополнительных конкурентов позволяет генерировать стабильные и устойчивые модельные экосистемы.

«Экологи чувствуют себя комфортнее с парами, но это не значит, что природа работает парами», — сказал Аллесина. — «Никто не предлагал уравнений для троек или четверок. Мы хотели проверить, действительно ли эти отношения имеют значение, и ответ — решительное "да"; они имеют огромное значение».

Экологи давно спорят о существовании и важности взаимодействий высшего порядка, когда отношения двух видов могут зависеть от третьего. Например, трио «хищник–травоядное–растение» обычно рассматривается как независимые пары «хищник–травоядное» и «травоядное–растение». Но присутствие хищника может заставить травоядное прятаться, влияя на его потребление растения — это взаимодействие высшего порядка, которое нарушает парную модель.

«Если вы измерите эти пары и сложите их вместе, они не объяснят систему», — сказал Аллесина. — «По сути, присутствие хищника изменяет отношения между растением и травоядным. Возникает нечто, что нельзя объяснить парами».

В статье в Nature Аллесина, постдоки Якопо Грилли и Дьёрдь Барабаш, а также аспирант Мэтью Михальска-Смит рассмотрели простой сценарий: в гипотетическом лесу, где время от времени гибнет дерево, оставляя просвет в пологе, кто выиграет битву видов за заполнение этой экологической ниши?

• Если за каждое место конкурирует пара видов, доминирующий конкурент в конечном итоге приведет другого к вымиранию, снижая разнообразие экосистемы (если они не абсолютно равны).
• В модели «Камень, Ножницы, Бумага», предложенной группой Аллесины в 2011 году, перекрывающееся доминирование нескольких видов может поддерживать богатую экосистему, но биоразнообразие циклически колеблется между высоким и низким — паттерн, не наблюдаемый в природе.

Чтобы смоделировать систему с взаимодействиями высшего порядка, команда использовала формат «турнира по ступенчатой лестнице», аналогичный телевизионным боулинг-соревнованиям. Здесь победитель парного матча выходит на поединок с третьим конкурентом, победитель этого матча играет с четвертым и так далее для любого числа участников.

С помощью уравнения, агрегирующего все возможные исходы такой «цепочки соревнований», исследователи смогли создать систему с высоким и стабильным биоразнообразием, аналогичным наблюдаемому в реальном мире.

В отличие от других экологических моделей, их уравнение давало реалистичные результаты при широком диапазоне начальных условий, а также как в закрытой системе (аналогично конкурирующим бактериям в лабораторной чашке), так и в открытой системе, где виды появляются и исчезают со временем.

«Когда есть даже вероятность взаимодействия всего трех видов, это полностью меняет динамику», — сказал Грилли. — «Пока существует очень малая вероятность взаимодействий высшего порядка, произойдут огромные изменения. Это действительно сверхустойчивый эффект».

Исследователи надеются протестировать свое новое уравнение в лабораторных экспериментах, наблюдая, соответствует ли реальная конкуренция бактериальных видов прогнозам их модели. Тем временем, математически доказав сильное влияние взаимодействий высшего порядка, Аллесина ожидает, что модель подтолкнет теоретическую экологию к новым рубежам.

«Я думаю, это открывает дверь для ряда моделей, которые люди раньше не рассматривали, возможно, даже более простых, чем эта», — сказал Аллесина. — «В экологии очень редко можно увидеть модель с такой глобальной устойчивостью, когда, где бы вы ни начали, вы приходите в одну и ту же точку».

Новая модель также вернула группу Аллесины на знакомую территорию — мир конкурентной игры «Камень, Ножницы, Бумага».

«Если применить это уравнение, чтобы придумать правила для игры в "Камень, Ножницы, Бумага" на троих, получатся официальные правила, которые используют на чемпионатах», — сказал Грилли. — «Фактически, у нас есть способ обобщить это для любого числа игроков, так что если вы хотите играть ввосьмером, мы можем это сделать».