Fysiske forskere ser ut til å finne kaosfenomenet overalt: i banene til planeter, i værsystemer, i en elvs virvlende virvler. I nesten tre tiår anså økologer kaos i den levende verden for å være overraskende sjelden til sammenligning. En ny analyse, avslører imidlertid at kaos er langt mer utbredt i økosystemer enn forskerne trodde.
Tanya Rogers så tilbake gjennom den vitenskapelige litteraturen etter nyere studier om kaos i økosystemer da hun oppdaget noe uventet: Ingen hadde publisert en kvantitativ analyse av det på over 25 år. "Det var litt overraskende," sa Rogers, en forskningsøkolog ved University of California, Santa Cruz og den nye studiens første forfatter. "Som, 'Jeg kan ikke tro at ingen har gjort dette.'"
Så hun bestemte seg for å gjøre det selv. Ved å analysere mer enn 170 sett med tidsavhengige økosystemdata fant Rogers og hennes kolleger at det var kaos i en tredjedel av dem - nesten tre ganger mer enn estimatene i tidligere studier. Dessuten oppdaget de at visse grupper av organismer, som plankton, insekter og alger, var langt mer utsatt for kaos enn større organismer som ulv og fugler.
"Det var egentlig ikke i litteraturen i det hele tatt," sa Stephan Munch, en evolusjonsøkolog ved Santa Cruz og medforfatter av studien. Resultatene deres tyder på at for å beskytte sårbare arter, er det både mulig og nødvendig å bygge mer komplekse populasjonsmodeller som guider for bevaringspolitikk.
Da økologi først ble anerkjent som en formell vitenskap på 19-tallet, var den rådende antakelsen at naturen følger enkle, lett forståelige regler, som en mekanisk klokke drevet av sammenlåsende tannhjul. Hvis forskerne kunne måle de riktige variablene, kunne de forutsi utfallet: Mer regn, for eksempel, ville bety en bedre eplehøst.
I virkeligheten, på grunn av kaos, er "verden mye mer tullete," sa George Sugihara, en kvantitativ økolog ved Scripps Institution of Oceanography i San Diego som ikke var involvert i den nye forskningen. Kaos gjenspeiler forutsigbarhet over tid. Et system sies å være stabilt hvis det endrer seg svært lite over en lang tidsskala, og tilfeldig hvis svingningene er uforutsigbare. Men et kaotisk system – et system styrt av ikke-lineære reaksjoner på hendelser – kan være forutsigbart over korte perioder, men er gjenstand for stadig mer dramatiske endringer jo lenger ut du kommer.
"Vi gir ofte været som et eksempel på et kaotisk system," sa Rogers. En sommerbris over det åpne hav vil sannsynligvis ikke påvirke morgendagens varsel, men under de riktige forholdene kan det teoretisk sett sende en orkan som pløyer inn i Karibien om noen uker.
Økologer begynte å flørte med konseptet kaos på 1970-tallet, da den matematiske biologen Robert May utviklet et revolusjonerende verktøy kalt logistikkartet. Dette forgreningsdiagrammet (noen ganger kjent som et spindelvevplott på grunn av utseendet) viser hvordan kaos kryper inn i enkle modeller for befolkningsvekst og andre systemer over tid. Siden overlevelse av organismer påvirkes så mye av kaotiske krefter som været, antok økologer at artspopulasjoner i naturen også ofte ville stige og falle kaotisk. Logistikkkart ble raskt allestedsnærværende i feltet da teoretiske økologer forsøkte å forklare populasjonssvingninger i organismer som laks og alger som forårsaker røde tidevann.
På begynnelsen av 90-tallet hadde økologer samlet nok tidsseriedatasett om artspopulasjoner og nok datakraft til å teste disse ideene. Det var bare ett problem: Kaoset så ikke ut til å være der. Bare rundt 10 % av de undersøkte populasjonene så ut til å endre seg kaotisk; resten syklet enten stabilt eller svingte tilfeldig. Teorier om økosystemkaos falt ut av vitenskapelig mote på midten av 1990-tallet.
De nye resultatene fra Rogers, Munch og deres matematikerkollega i Santa Cruz Bethany Johnson, men antyder at det eldre verket bommet der kaoset gjemte seg. For å oppdage kaos brukte de tidligere studiene modeller med en enkelt dimensjon - populasjonsstørrelsen til en art over tid. De vurderte ikke tilsvarende endringer i rotete virkelige faktorer som temperatur, sollys, nedbør og interaksjoner med andre arter som kan påvirke populasjoner. Deres endimensjonale modeller fanget hvordan populasjonene endret seg, men ikke hvorfor de endret seg.
Men Rogers og Munch "søkte etter [kaos] på en mer fornuftig måte," sa Aaron King, en professor i økologi og evolusjonsbiologi ved University of Michigan som ikke var involvert i studien. Ved å bruke tre forskjellige komplekse algoritmer, analyserte de 172 tidsserier av forskjellige organismers populasjoner som modeller med så mange som seks dimensjoner i stedet for bare én, og ga rom for potensiell påvirkning av uspesifiserte miljøfaktorer. På denne måten kunne de sjekke om ubemerket kaotiske mønstre kan være innebygd i den endimensjonale representasjonen av befolkningsskiftene. For eksempel kan mer nedbør være kaotisk knyttet til befolkningsøkning eller nedgang, men først etter en forsinkelse på flere år.
I populasjonsdataene for omtrent 34 % av arten, oppdaget Rogers, Johnson og Munch, var signaturene til ikke-lineære interaksjoner faktisk til stede, noe som var betydelig mer kaos enn det som ble oppdaget tidligere. I de fleste av disse datasettene virket ikke bestandsendringene for arten kaotiske med det første, men forholdet mellom tallene og underliggende faktorer var det. De kunne ikke si nøyaktig hvilke miljøfaktorer som var ansvarlige for kaoset, men uansett hva de var, var fingeravtrykkene deres på dataene.
Forskerne avdekket også et omvendt forhold mellom en organismes kroppsstørrelse og hvor kaotisk dens populasjonsdynamikk har en tendens til å være. Dette kan skyldes forskjeller i generasjonstid, ved at små organismer som hekker oftere også oftere påvirkes av eksterne variabler. For eksempel viser bestander av kiselalger med generasjoner på rundt 15 timer mye mer kaos enn ulveflokker med generasjoner på nesten fem år.
Det betyr imidlertid ikke nødvendigvis at ulvebestandene i seg selv er stabile. "En mulighet er at vi ikke ser kaos der fordi vi bare ikke har nok data til å gå tilbake over en lang nok periode til å se det," sa Munch. Faktisk mistenker han og Rogers at på grunn av begrensningene i dataene deres, kan modellene deres undervurdere hvor mye underliggende kaos som er tilstede i økosystemene.
Sugihara tror at de nye resultatene kan være viktige for bevaring. Forbedrede modeller med det rette elementet av kaos kan gjøre en bedre jobb med å forutsi giftig algeoppblomstring, for eksempel, eller spore fiskebestander for å forhindre overfiske. Å vurdere kaos kan også hjelpe forskere og naturvernforvaltere til å forstå hvor langt ute det er mulig å forutsi populasjonsstørrelsen på en meningsfull måte. "Jeg tror det er nyttig at problemet er i folks sinn," sa han.
Han og King advarer imidlertid begge mot å ha for mye tro på disse kaosbevisste modellene. "Det klassiske konseptet kaos er fundamentalt et stasjonært konsept," sa King: Det er bygget på antakelsen om at kaotiske fluktuasjoner representerer et avvik fra en forutsigbar, stabil norm. Men etter hvert som klimaendringene skrider frem, blir de fleste økosystemer i den virkelige verden stadig mer ustabile selv på kort sikt. Selv om man tar mange dimensjoner i betraktning, vil forskere måtte være bevisste på denne stadig skiftende grunnlinjen.
Likevel er det å ta kaos i betraktning et viktig skritt mot mer nøyaktig modellering. "Jeg synes dette er veldig spennende," sa Munch. "Det strider bare mot måten vi for tiden tenker om økologisk dynamikk."
