Ilmuwan fisik tampaknya menemukan fenomena kekacauan di mana-mana: di orbit planet, dalam sistem cuaca, di pusaran sungai yang berputar. Selama hampir tiga dasawarsa, para ahli ekologi menganggap kekacauan di dunia makhluk hidup sebagai hal yang sangat langka jika dibandingkan. Analisis baru, bagaimanapun, mengungkapkan bahwa kekacauan jauh lebih lazim di ekosistem daripada yang diperkirakan para peneliti.
Tanya Rogers sedang melihat ke belakang melalui literatur ilmiah untuk studi terbaru tentang kekacauan dalam ekosistem ketika dia menemukan sesuatu yang tidak terduga: Tidak ada yang menerbitkan analisis kuantitatifnya selama lebih dari 25 tahun. "Itu agak mengejutkan," kata Rogers, seorang ahli ekologi penelitian di University of California, Santa Cruz dan penulis pertama studi baru tersebut. “Seperti, 'Saya tidak percaya tidak ada yang melakukan ini.'”
Jadi dia memutuskan untuk melakukannya sendiri. Menganalisis lebih dari 170 set data ekosistem yang bergantung pada waktu, Rogers dan rekan-rekannya menemukan bahwa sepertiga dari mereka mengalami kekacauan - hampir tiga kali lebih banyak dari perkiraan dalam penelitian sebelumnya. Terlebih lagi, mereka menemukan bahwa kelompok organisme tertentu, seperti plankton, serangga, dan ganggang, jauh lebih rentan terhadap kekacauan daripada organisme yang lebih besar seperti serigala dan burung.
"Itu benar-benar tidak ada dalam literatur sama sekali," kata Stephan Munch, seorang ahli ekologi evolusioner di Santa Cruz dan rekan penulis studi tersebut. Hasil mereka menunjukkan bahwa untuk melindungi spesies yang rentan, adalah mungkin dan perlu untuk membangun model populasi yang lebih kompleks sebagai panduan untuk kebijakan konservasi.
Ketika ekologi pertama kali diakui sebagai ilmu formal pada abad ke-19, asumsi yang berlaku adalah bahwa alam mengikuti aturan yang sederhana dan mudah dipahami, seperti jam mekanis yang digerakkan oleh roda gigi yang saling mengunci. Jika para ilmuwan dapat mengukur variabel yang tepat, mereka dapat memprediksi hasilnya: Lebih banyak hujan, misalnya, berarti panen apel yang lebih baik.
Pada kenyataannya, karena kekacauan, "dunia jauh lebih buruk," kata George Sugihara, seorang ahli ekologi kuantitatif di Scripps Institution of Oceanography di San Diego yang tidak terlibat dalam penelitian baru ini. Chaos mencerminkan prediktabilitas dari waktu ke waktu. Suatu sistem dikatakan stabil jika perubahannya sangat sedikit dalam skala waktu yang lama, dan acak jika fluktuasinya tidak dapat diprediksi. Tetapi sistem yang kacau — yang diatur oleh respons nonlinier terhadap peristiwa — dapat diprediksi dalam waktu singkat tetapi tunduk pada perubahan yang semakin dramatis semakin jauh Anda melangkah.
“Kami sering memberikan cuaca sebagai contoh sistem yang kacau,” kata Rogers. Angin musim panas di atas lautan terbuka mungkin tidak akan memengaruhi ramalan cuaca besok, tetapi dalam kondisi yang tepat, secara teoritis dapat mengirim badai yang melanda Karibia dalam beberapa minggu.
Ahli ekologi mulai menggoda konsep chaos pada 1970-an, ketika ahli biologi matematika Robert Mei mengembangkan alat revolusioner yang disebut peta logistik. Diagram percabangan ini (kadang-kadang dikenal sebagai plot sarang laba-laba karena penampilannya) menunjukkan bagaimana kekacauan merayap ke dalam model sederhana pertumbuhan populasi dan sistem lain dari waktu ke waktu. Karena kelangsungan hidup organisme sangat dipengaruhi oleh kekuatan kacau seperti cuaca, para ahli ekologi berasumsi bahwa populasi spesies di alam juga akan sering naik dan turun secara kacau. Peta logistik dengan cepat menjadi ada di mana-mana di lapangan karena ahli ekologi teoretis berusaha menjelaskan fluktuasi populasi organisme seperti salmon dan ganggang yang menyebabkan pasang merah.
Pada awal 90-an, para ahli ekologi telah mengumpulkan cukup banyak kumpulan data deret waktu tentang populasi spesies dan daya komputasi yang cukup untuk menguji gagasan ini. Hanya ada satu masalah: Kekacauan itu tampaknya tidak terjadi. Hanya sekitar 10% dari populasi yang diperiksa tampaknya berubah secara kacau; sisanya baik bersepeda secara stabil atau berfluktuasi secara acak. Teori kekacauan ekosistem tidak lagi digunakan secara ilmiah pada pertengahan 1990-an.
Hasil baru dari Rogers, Munch dan rekan matematikawan Santa Cruz mereka Bethany Johnson, bagaimanapun, menyarankan bahwa pekerjaan yang lebih tua tidak terjawab di mana kekacauan itu bersembunyi. Untuk mendeteksi kekacauan, studi sebelumnya menggunakan model dengan satu dimensi — ukuran populasi satu spesies dari waktu ke waktu. Mereka tidak mempertimbangkan perubahan terkait dalam faktor dunia nyata yang berantakan seperti suhu, sinar matahari, curah hujan, dan interaksi dengan spesies lain yang mungkin memengaruhi populasi. Model satu dimensi mereka menangkap bagaimana populasi berubah, tetapi bukan mengapa mereka berubah.
Tetapi Rogers dan Munch “mencari [kekacauan] dengan cara yang lebih masuk akal,” kata Raja Harun, seorang profesor ekologi dan biologi evolusioner di University of Michigan yang tidak terlibat dalam penelitian ini. Dengan menggunakan tiga algoritme kompleks yang berbeda, mereka menganalisis 172 deret waktu populasi organisme yang berbeda sebagai model dengan sebanyak enam dimensi, bukan hanya satu, menyisakan ruang untuk pengaruh potensial faktor lingkungan yang tidak ditentukan. Dengan cara ini, mereka dapat memeriksa apakah pola-pola kacau yang tidak disadari mungkin tertanam dalam representasi satu dimensi dari pergeseran populasi. Misalnya, lebih banyak curah hujan mungkin secara kacau terkait dengan peningkatan atau penurunan populasi, tetapi hanya setelah penundaan beberapa tahun.
Dalam data populasi untuk sekitar 34% spesies, Rogers, Johnson dan Munch menemukan, tanda-tanda interaksi nonlinier memang ada, yang secara signifikan lebih kacau daripada yang terdeteksi sebelumnya. Di sebagian besar kumpulan data tersebut, perubahan populasi untuk spesies pada awalnya tidak tampak kacau, tetapi hubungan angka-angka tersebut dengan faktor-faktor yang mendasarinya. Mereka tidak bisa mengatakan dengan tepat faktor lingkungan mana yang bertanggung jawab atas kekacauan itu, tetapi apa pun itu, sidik jari mereka ada di data.
Para peneliti juga menemukan hubungan terbalik antara ukuran tubuh organisme dan seberapa kacau dinamika populasinya. Ini mungkin karena perbedaan waktu generasi, dengan organisme kecil yang berkembang biak lebih sering juga lebih sering dipengaruhi oleh variabel luar. Misalnya, populasi diatom dengan generasi sekitar 15 jam menunjukkan lebih banyak kekacauan daripada sekawanan serigala dengan generasi hampir lima tahun.
Namun, itu tidak berarti bahwa populasi serigala pada dasarnya stabil. “Satu kemungkinan adalah bahwa kita tidak melihat kekacauan di sana karena kita tidak memiliki cukup data untuk kembali dalam jangka waktu yang cukup lama untuk melihatnya,” kata Munch. Faktanya, dia dan Rogers menduga bahwa karena keterbatasan data mereka, model mereka mungkin meremehkan seberapa banyak kekacauan mendasar yang ada dalam ekosistem.
Sugihara berpikir bahwa hasil baru mungkin penting untuk konservasi. Model yang disempurnakan dengan elemen kekacauan yang tepat dapat melakukan pekerjaan yang lebih baik dalam memperkirakan pertumbuhan alga beracun, misalnya, atau melacak populasi perikanan untuk mencegah penangkapan ikan yang berlebihan. Mempertimbangkan kekacauan juga dapat membantu peneliti dan manajer konservasi untuk memahami seberapa jauh kemungkinan untuk memprediksi ukuran populasi secara bermakna. “Saya pikir itu berguna untuk masalah yang ada di benak orang-orang,” katanya.
Namun, dia dan King sama-sama berhati-hati agar tidak terlalu percaya pada model yang sadar akan kekacauan ini. “Konsep klasik tentang kekacauan pada dasarnya adalah konsep yang tidak bergerak,” kata King: Konsep ini dibangun di atas asumsi bahwa fluktuasi yang kacau merupakan penyimpangan dari norma yang dapat diprediksi dan stabil. Tetapi seiring dengan kemajuan perubahan iklim, sebagian besar ekosistem dunia nyata menjadi semakin tidak stabil bahkan dalam jangka pendek. Bahkan dengan mempertimbangkan banyak dimensi, para ilmuwan harus sadar akan garis dasar yang terus berubah ini.
Namun, mempertimbangkan kekacauan merupakan langkah penting menuju pemodelan yang lebih akurat. “Saya pikir ini sangat menarik,” kata Munch. “Itu bertentangan dengan cara kita berpikir tentang dinamika ekologi saat ini.”
