Gli scienziati fisici sembrano trovare il fenomeno del caos ovunque: nelle orbite dei pianeti, nei sistemi meteorologici, nei vortici vorticosi di un fiume. Per quasi tre decenni, gli ecologisti hanno considerato il caos nel mondo vivente sorprendentemente raro al confronto. Una nuova analisi, tuttavia, rivela che il caos è molto più diffuso negli ecosistemi di quanto pensassero i ricercatori.
Tanja Rogers stava guardando indietro alla letteratura scientifica per i recenti studi sul caos negli ecosistemi quando ha scoperto qualcosa di inaspettato: nessuno ne aveva pubblicato un'analisi quantitativa in oltre 25 anni. "E 'stato un po' sorprendente", ha detto Rogers, un ecologista ricercatore presso l'Università della California, Santa Cruz e primo autore del nuovo studio. "Come, 'Non posso credere che nessuno l'abbia fatto.'"
Così ha deciso di farlo da sola. Analizzando più di 170 set di dati sull'ecosistema dipendenti dal tempo, Rogers e i suoi colleghi hanno scoperto che il caos era presente in un terzo di essi, quasi tre volte di più rispetto alle stime degli studi precedenti. Inoltre, hanno scoperto che alcuni gruppi di organismi, come il plancton, gli insetti e le alghe, erano molto più inclini al caos rispetto agli organismi più grandi come i lupi e gli uccelli.
"Quello non era affatto nella letteratura", ha detto Stefano Munch, un ecologista evoluzionista a Santa Cruz e coautore dello studio. I loro risultati suggeriscono che per proteggere le specie vulnerabili, è possibile e necessario costruire modelli di popolazione più complessi come guide per le politiche di conservazione.
Quando l'ecologia fu riconosciuta per la prima volta come scienza formale nel 19° secolo, il presupposto prevalente era che la natura segua regole semplici e facilmente comprensibili, come un orologio meccanico azionato da ingranaggi intrecciati. Se gli scienziati potessero misurare le giuste variabili, potrebbero prevedere il risultato: più pioggia, ad esempio, significherebbe un migliore raccolto di mele.
In realtà, a causa del caos, "il mondo è molto più schifoso", ha detto Giorgio Sugihara, un ecologista quantitativo presso la Scripps Institution of Oceanography di San Diego che non è stato coinvolto nella nuova ricerca. Il caos riflette la prevedibilità nel tempo. Un sistema si dice stabile se cambia molto poco su un lungo arco di tempo e casuale se le sue fluttuazioni sono imprevedibili. Ma un sistema caotico, governato da risposte non lineari agli eventi, può essere prevedibile in brevi periodi, ma è soggetto a cambiamenti sempre più drammatici man mano che ci si allontana.
"Spesso diamo il tempo come esempio di un sistema caotico", ha detto Rogers. Una brezza estiva sull'oceano aperto probabilmente non influirà sulle previsioni di domani, ma nelle giuste condizioni potrebbe teoricamente inviare un uragano nei Caraibi in poche settimane.
Gli ecologisti iniziarono a flirtare con il concetto di caos negli anni '1970, quando il biologo matematico Roberto Maggio ha sviluppato uno strumento rivoluzionario chiamato mappa logistica. Questo diagramma ramificato (a volte noto come trama di ragnatele a causa del suo aspetto) mostra come il caos si insinua in semplici modelli di crescita della popolazione e altri sistemi nel tempo. Poiché la sopravvivenza degli organismi è influenzata così tanto da forze caotiche come il tempo, gli ecologisti presumevano che anche le popolazioni di specie in natura sarebbero spesso aumentate e diminuite in modo caotico. Le mappe logistiche sono diventate rapidamente onnipresenti sul campo poiché gli ecologisti teorici hanno cercato di spiegare le fluttuazioni della popolazione in organismi come il salmone e le alghe che causano le maree rosse.
All'inizio degli anni '90, gli ecologisti avevano accumulato abbastanza serie di dati temporali sulle popolazioni di specie e abbastanza potenza di calcolo per testare queste idee. C'era solo un problema: il caos non sembrava esserci. Solo il 10% circa delle popolazioni esaminate sembrava cambiare caoticamente; il resto o ha pedalato stabilmente o ha fluttuato in modo casuale. Le teorie sul caos dell'ecosistema sono passate fuori moda scientifica verso la metà degli anni '1990.
I nuovi risultati di Rogers, Munch e il loro collega matematico di Santa Cruz Betania Johnson, tuttavia, suggeriscono che l'opera più vecchia non abbia notato dove si nascondeva il caos. Per rilevare il caos, gli studi precedenti utilizzavano modelli con un'unica dimensione: la dimensione della popolazione di una specie nel tempo. Non hanno considerato i corrispondenti cambiamenti nei disordinati fattori del mondo reale come temperatura, luce solare, precipitazioni e interazioni con altre specie che potrebbero influenzare le popolazioni. I loro modelli unidimensionali hanno catturato il modo in cui le popolazioni sono cambiate, ma non il motivo per cui sono cambiate.
Ma Rogers e Munch "sono andati alla ricerca del [caos] in un modo più sensato", hanno detto Aaron Re, professore di ecologia e biologia evolutiva presso l'Università del Michigan che non è stato coinvolto nello studio. Utilizzando tre diversi algoritmi complessi, hanno analizzato 172 serie temporali di popolazioni di organismi diversi come modelli con un massimo di sei dimensioni anziché una sola, lasciando spazio alla potenziale influenza di fattori ambientali non specificati. In questo modo, potrebbero verificare se modelli caotici inosservati potrebbero essere incorporati nella rappresentazione unidimensionale dei cambiamenti della popolazione. Ad esempio, più precipitazioni potrebbero essere caoticamente legate all'aumento o alla diminuzione della popolazione, ma solo dopo un ritardo di diversi anni.
Nei dati sulla popolazione per circa il 34% delle specie, hanno scoperto Rogers, Johnson e Munch, le firme delle interazioni non lineari erano effettivamente presenti, il che era significativamente più caos di quanto fosse stato rilevato in precedenza. Nella maggior parte di questi set di dati, all'inizio i cambiamenti della popolazione per la specie non apparivano caotici, ma la relazione tra i numeri e i fattori sottostanti lo era. Non potevano dire con precisione quali fattori ambientali fossero responsabili del caos, ma qualunque cosa fossero, le loro impronte erano sui dati.
I ricercatori hanno anche scoperto una relazione inversa tra le dimensioni corporee di un organismo e quanto caotiche tendono ad essere le dinamiche della sua popolazione. Ciò può essere dovuto a differenze nel tempo di generazione, con piccoli organismi che si riproducono più spesso anche più colpiti da variabili esterne più spesso. Ad esempio, le popolazioni di diatomee con generazioni di circa 15 ore mostrano molto più caos rispetto a branchi di lupi con generazioni lunghe quasi cinque anni.
Tuttavia, ciò non significa necessariamente che le popolazioni di lupi siano intrinsecamente stabili. "Una possibilità è che non stiamo vedendo il caos lì perché semplicemente non abbiamo dati sufficienti per tornare indietro per un periodo di tempo sufficientemente lungo per vederlo", ha affermato Munch. In effetti, lui e Rogers sospettano che, a causa dei vincoli dei loro dati, i loro modelli potrebbero sottovalutare la quantità di caos sottostante presente negli ecosistemi.
Sugihara pensa che i nuovi risultati potrebbero essere importanti per la conservazione. Modelli migliorati con il giusto elemento di caos potrebbero fare un lavoro migliore nel prevedere le proliferazioni algali tossiche, ad esempio, o nel tracciare le popolazioni di pescatori per prevenire la pesca eccessiva. Considerare il caos potrebbe anche aiutare i ricercatori e i responsabili della conservazione a capire fino a che punto sia possibile prevedere in modo significativo la dimensione della popolazione. "Penso che sia utile che il problema sia nella mente delle persone", ha detto.
Tuttavia, sia lui che King mettono in guardia dal riporre troppa fiducia in questi modelli consapevoli del caos. "Il concetto classico di caos è fondamentalmente un concetto stazionario", ha detto King: si basa sul presupposto che le fluttuazioni caotiche rappresentino un allontanamento da una norma prevedibile e stabile. Ma con il progredire del cambiamento climatico, la maggior parte degli ecosistemi del mondo reale stanno diventando sempre più instabili anche a breve termine. Anche tenendo conto di molte dimensioni, gli scienziati dovranno essere consapevoli di questa linea di base in continua evoluzione.
Tuttavia, prendere in considerazione il caos è un passo importante verso una modellazione più accurata. "Penso che sia davvero eccitante", ha detto Munch. "Va semplicemente in contrasto con il modo in cui attualmente pensiamo alle dinamiche ecologiche".
