Fysische wetenschappers lijken het fenomeen chaos overal te vinden: in de banen van planeten, in weersystemen, in de kolkende wervelingen van een rivier. Bijna drie decennia lang beschouwden ecologen chaos in de levende wereld in vergelijking daarmee verrassend zeldzaam. Een nieuwe analyse, onthult echter dat chaos veel vaker voorkomt in ecosystemen dan onderzoekers dachten.
Tanja Rogers was de wetenschappelijke literatuur aan het doorbladeren voor recente studies over chaos in ecosystemen toen ze iets onverwachts ontdekte: in meer dan 25 jaar had niemand er een kwantitatieve analyse van gepubliceerd. "Het was nogal verrassend", zegt Rogers, een onderzoeksecoloog aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz en de eerste auteur van de nieuwe studie. "Zoals, 'ik kan niet geloven dat niemand dit heeft gedaan.'"
Dus besloot ze het zelf te doen. Rogers en haar collega's analyseerden meer dan 170 sets tijdafhankelijke ecosysteemgegevens en ontdekten dat er chaos was in een derde van hen - bijna drie keer meer dan de schattingen in eerdere onderzoeken. Bovendien ontdekten ze dat bepaalde groepen organismen, zoals plankton, insecten en algen, veel vatbaarder waren voor chaos dan grotere organismen zoals wolven en vogels.
"Dat stond echt helemaal niet in de literatuur", zei Stephan Munch, een evolutionair ecoloog in Santa Cruz en een co-auteur van de studie. Hun resultaten suggereren dat om kwetsbare soorten te beschermen, het zowel mogelijk als noodzakelijk is om complexere populatiemodellen te bouwen als gids voor natuurbehoudbeleid.
Toen ecologie in de 19e eeuw voor het eerst werd erkend als een formele wetenschap, was de heersende veronderstelling dat de natuur eenvoudige, gemakkelijk te begrijpen regels volgt, zoals een mechanische klok die wordt aangedreven door in elkaar grijpende tandwielen. Als wetenschappers de juiste variabelen zouden kunnen meten, zouden ze de uitkomst kunnen voorspellen: meer regen zou bijvoorbeeld een betere appeloogst betekenen.
In werkelijkheid, vanwege chaos, "is de wereld veel meer een mep", zei George Sugihara, een kwantitatieve ecoloog bij de Scripps Institution of Oceanography in San Diego die niet betrokken was bij het nieuwe onderzoek. Chaos weerspiegelt voorspelbaarheid in de tijd. Van een systeem wordt gezegd dat het stabiel is als het weinig verandert over een lange tijdschaal, en willekeurig als de fluctuaties onvoorspelbaar zijn. Maar een chaotisch systeem - een systeem dat wordt geregeerd door niet-lineaire reacties op gebeurtenissen - is misschien voorspelbaar over korte perioden, maar is onderhevig aan steeds dramatischere verschuivingen naarmate je verder gaat.
"We geven het weer vaak als voorbeeld van een chaotisch systeem", zegt Rogers. Een zomerbries over de open oceaan zal waarschijnlijk geen invloed hebben op de voorspelling van morgen, maar onder precies de juiste omstandigheden zou het theoretisch binnen een paar weken een orkaan naar het Caribisch gebied kunnen sturen.
Ecologen begonnen in de jaren zeventig te flirten met het begrip chaos, toen de wiskundige bioloog Robert mei ontwikkelde een revolutionaire tool genaamd de logistieke kaart. Dit vertakkingsdiagram (soms bekend als een spinnenwebplot vanwege zijn uiterlijk) laat zien hoe chaos in de loop van de tijd in eenvoudige modellen van bevolkingsgroei en andere systemen sluipt. Omdat het voortbestaan van organismen zo sterk wordt beïnvloed door chaotische krachten als het weer, gingen ecologen ervan uit dat soortenpopulaties in de natuur ook vaak chaotisch zouden stijgen en dalen. Logistieke kaarten werden al snel alomtegenwoordig in het veld toen theoretische ecologen populatiefluctuaties probeerden te verklaren in organismen zoals zalm en de algen die rode getijden veroorzaken.
Tegen het begin van de jaren '90 hadden ecologen genoeg tijdreeksgegevens verzameld over populaties van soorten en genoeg rekenkracht om deze ideeën te testen. Er was slechts één probleem: de chaos leek er niet te zijn. Slechts ongeveer 10% van de onderzochte populaties leek chaotisch te veranderen; de rest fietste stabiel of fluctueerde willekeurig. Theorieën over ecosysteemchaos raakten halverwege de jaren negentig uit de wetenschappelijke mode.
De nieuwe resultaten van Rogers, Munch en hun wiskundige collega van Santa Cruz Bethanië Johnson, suggereren echter dat het oudere werk miste waar de chaos zich schuilhield. Om chaos te detecteren, gebruikten de eerdere studies modellen met een enkele dimensie - de populatiegrootte van één soort in de loop van de tijd. Ze hielden geen rekening met overeenkomstige veranderingen in rommelige real-world factoren zoals temperatuur, zonlicht, regenval en interacties met andere soorten die populaties zouden kunnen beïnvloeden. Hun eendimensionale modellen legden vast hoe de populaties veranderden, maar niet waarom ze veranderden.
Maar Rogers en Munch "gingen op een meer verstandige manier op zoek naar [chaos]", zeiden: Aäron koning, een professor in ecologie en evolutionaire biologie aan de Universiteit van Michigan die niet betrokken was bij het onderzoek. Met behulp van drie verschillende complexe algoritmen analyseerden ze 172 tijdreeksen van populaties van verschillende organismen als modellen met maar liefst zes dimensies in plaats van slechts één, waardoor er ruimte was voor de potentiële invloed van niet-gespecificeerde omgevingsfactoren. Op deze manier konden ze nagaan of onopgemerkte chaotische patronen misschien ingebed zijn in de eendimensionale weergave van de bevolkingsverschuivingen. Meer regenval kan bijvoorbeeld chaotisch worden gekoppeld aan bevolkingstoename of -afname, maar pas met een vertraging van enkele jaren.
In de populatiegegevens voor ongeveer 34% van de soorten, ontdekten Rogers, Johnson en Munch, waren de handtekeningen van niet-lineaire interacties inderdaad aanwezig, wat aanzienlijk meer chaos was dan eerder werd gedetecteerd. In de meeste van die datasets leken de populatieveranderingen voor de soort aanvankelijk niet chaotisch, maar de relatie van de aantallen met onderliggende factoren was dat wel. Ze konden niet precies zeggen welke omgevingsfactoren verantwoordelijk waren voor de chaos, maar wat ze ook waren, hun vingerafdrukken stonden op de gegevens.
De onderzoekers ontdekten ook een omgekeerde relatie tussen de lichaamsgrootte van een organisme en hoe chaotisch de populatiedynamiek ervan is. Dit kan te wijten zijn aan verschillen in generatietijd, waarbij kleine organismen die zich vaker voortplanten ook vaker worden beïnvloed door externe variabelen. Zo vertonen diatomeeënpopulaties met generaties van ongeveer 15 uur veel meer chaos dan roedels wolven met generaties van bijna vijf jaar lang.
Dat betekent echter niet noodzakelijk dat wolvenpopulaties inherent stabiel zijn. "Een mogelijkheid is dat we daar geen chaos zien omdat we gewoon niet genoeg gegevens hebben om lang genoeg terug te gaan om het te zien," zei Munch. In feite vermoeden hij en Rogers dat vanwege de beperkingen van hun gegevens, hun modellen mogelijk onderschatten hoeveel onderliggende chaos aanwezig is in ecosystemen.
Sugihara denkt dat de nieuwe resultaten belangrijk kunnen zijn voor natuurbehoud. Verbeterde modellen met het juiste element van chaos zouden bijvoorbeeld een betere voorspelling kunnen doen van giftige algenbloei of het volgen van visserijpopulaties om overbevissing te voorkomen. Het overwegen van chaos kan onderzoekers en natuurbeschermingsmanagers ook helpen te begrijpen hoe ver het mogelijk is om de populatiegrootte op een zinvolle manier te voorspellen. "Ik denk dat het nuttig is dat de kwestie in de hoofden van mensen zit", zei hij.
Hij en King waarschuwen echter allebei om niet te veel vertrouwen te stellen in deze chaosbewuste modellen. "Het klassieke concept van chaos is in wezen een stationair concept", zei King: het is gebaseerd op de veronderstelling dat chaotische fluctuaties een afwijking van een voorspelbare, stabiele norm vertegenwoordigen. Maar naarmate de klimaatverandering voortschrijdt, worden de meeste ecosystemen in de echte wereld zelfs op korte termijn steeds onstabieler. Zelfs als we veel dimensies in aanmerking nemen, zullen wetenschappers zich bewust moeten zijn van deze steeds veranderende basislijn.
Toch is het rekening houden met chaos een belangrijke stap in de richting van nauwkeurigere modellering. "Ik denk dat dit heel spannend is", zei Munch. “Het druist gewoon in tegen de manier waarop we nu denken over ecologische dynamiek.”
