Ekolodzy starają się opanować „gatunki kluczowe” | Magazyn Quanta

Pierwszy tydzień Anne Salomon na studiach podyplomowych w 2001 roku nie był taki, jakiego oczekiwała. Podczas gdy inni nowi studenci udali się na wykłady wprowadzające, Salomona zabrano furgonetką, a następnie motorówką na wyspę Tatoosh, położoną tuż przy północno-zachodnim krańcu półwyspu olimpijskiego w Waszyngtonie. Pośród basenów pływowych tej odizolowanej wyspy Salomon przyglądał się sieci życia na skałach: rozgwiazdom w kolorze ochry, pąkli, małżom, ślimakom i różnorodnym algom, które przybierały formy przypominające sałatę, mech i folię bąbelkową.

Wizyta na tym uderzonym falami wychodni była rytuałem przejścia dla współpracowników laboratorium Boba Paine’a. Kilkadziesiąt lat wcześniej Paine, uzbrojony w łom, po raz pierwszy podważył fiolet Pisaster rozgwiazdy — największego drapieżnika ekosystemu — z basenów pływowych w pobliskiej zatoce Makah i wrzucił je do morza, aby dowiedzieć się, jakie siły zorganizowały społeczność stworzeń trzymających się skał. Wyniki miałyby głęboki wpływ na ekologię, ochronę przyrody i publiczne postrzeganie przyrody. Po trzech latach bez rozgwiazd liczba 15 gatunków pierwotnie występujących w basenach spadła do ośmiu. Po 10 latach na brzegu dominowała monokultura małży.

Połączenia wyniki eksperymentu Paine’a, opublikowane w Amerykański przyrodnik w 1966 roku wykazali, że pojedynczy gatunek może mieć ogromny wpływ na społeczność ekologiczną. Kiedy Paine podzielił się swoimi odkryciami z paleoekologiem i działaczem na rzecz ochrony przyrody Estella Leopoldzasugerowała, że ​​potężna koncepcja zasługuje na sugestywną nazwę. W kolejnym artykule określił Pisaster rozgwiazda to „gatunek zwornikowy”, odnoszący się do zwornika architektonicznego: kamienia w kształcie klina umieszczonego na szczycie łuku, który po włożeniu zapobiega zawaleniu się konstrukcji. „Bob miał dość poetycki, narracyjny umysł” – powiedział Maryja Moc, emerytowany profesor Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, który studiował pod kierunkiem Paine’a. (Paine zmarł w 2016 roku.)

Salomon, Power i inni studenci Paine poświęcili swoją pracę dyplomową udoskonaleniu koncepcji zwornika i matematycznemu zdefiniowaniu ekologicznej „zwornicy” gatunku. Ale niczym rozgwiazda wpatrująca się w skały, metafora zakorzeniła się w wyobraźni naukowej i publicznej. Wielu ekologów i działaczy na rzecz ochrony przyrody straciło z oczu pierwotne znaczenie, jakie nadał temu terminowi Paine, i zaczęło nazywać pozornie każdy ważny gatunek zwornikiem. Rzeczywiście, analiza opublikowana w zeszłym roku wykazała, że ​​ponad 200 gatunków oznaczono jako zworniki. Stosowanie etykiety stało się tak szerokie, że niektórzy ekolodzy obawiają się, że utraciło ono wszelkie znaczenie.

Ekolodzy pracują obecnie nad udoskonaleniem znaczenia „gatunku zwornikowego” i opowiadają się za bardziej wymagającym zastosowaniem. Twierdzą, że dzięki bardziej rygorystycznej identyfikacji gatunków kluczowych decydenci będą mogli lepiej identyfikować i chronić gatunki, które mają nieproporcjonalny wpływ na ekosystemy. Nowe zastosowania w medycynie mikrobiologicznej mogą pomóc biologom w dokładniejszym określeniu ilościowym wpływu kluczowych gatunków, co może przynieść korzyści nie tylko ekosystemom, ale także zdrowiu ludzkiemu.

Niezbędność gatunku

Na dziesięciolecia przed przeprowadzeniem przez Paine'a swojego słynnego eksperymentu ekolodzy doszli do teorii, że gatunki dzielące wspólne siedliska są połączone w piramidalną sieć określającą, kto kogo zjada. Na szczycie znajdowały się rzadkie drapieżniki, które zjadały mniejsze drapieżniki lub zwierzęta roślinożerne, które same zjadały obfitych „producentów”, takich jak rośliny lub glony, odżywiane bezpośrednio światłem słonecznym i fotosyntezą. Ekolodzy uważali, że stabilność sieci jest oddolnie kontrolowana przez dostępność producentów.

Jednak w latach sześćdziesiątych to myślenie uległo zmianie. Czy drapieżniki mogą również znajdować się pod silnym wpływem społeczności? Być może roślinność zdominowała ekosystemy nie dlatego, że producenci ograniczali inne gatunki, ale dlatego, że drapieżniki zapobiegały nadmiernemu wypasowi zwierząt roślinożernych. Eksperyment Paine'a był jednym z pierwszych, który w przekonujący sposób zademonstrował taką kontrolę odgórną w czasie rzeczywistym.

Potem ekolog Jakuba Estesa udokumentowało, jak wydry morskie w przybrzeżnych lasach wodorostów w Kalifornii odegrały kluczową rolę, podobną do rozgwiazdy w basenach pływowych Paine'a. W artykule opublikowanym w 1974 r naukaopisał, jak wydra morska, pojedynczy gatunek drapieżny, uporządkował różnorodność społeczności wodorostów. Wydry morskie trzymały w ryzach roślinożerne jeżowce; bez drapieżników jeżowce nadmiernie się pasły i unicestwiały cały zestaw gatunków zależnych od wodorostów.

Badania te i kluczowa idea zyskały na znaczeniu w tym samym momencie, gdy w Ameryce pojawiła się świadomość ekologiczna. W 1973 Kongres uchwalił ustawę o gatunkach zagrożonych, która przyjęła podejście skoncentrowane na gatunkach do ochrony dzikiej przyrody. Pomysł, że odbudowa populacji jednego gatunku – być może zwornika – mógłby zapewnić różnorodność biologiczną społeczności ekologicznej zgodną z nowymi ramami prawnymi.

W rezultacie koncepcja gatunku zwornikowego zaczęła żyć własnym życiem. Naukowcy i działacze na rzecz ochrony przyrody coraz częściej stosowali ten termin do wszelkich gatunków uznawanych za ważne, błędnie opisując pierwotny pomysł Paine'a. Najważniejszymi drapieżnikami, takimi jak wilki i rekiny, których nieobecność miała drastyczne skutki, były w oczywisty sposób zworniki. To samo dotyczyło inżynierów ekosystemów zmieniających siedliska, takich jak bobry, dzięcioły, żubry i pieski preriowe. Ale wkrótce pojawiły się także naukowe odniesienia do kluczowych roślinożerców, roślin zwornikowych, zapylaczy zwornikowych, a nawet patogenów zwornikowych. Grupy gatunków uznawanych za ważne nazwano „gildiami zwornikowymi”.

Wraz ze wzrostem popularności tego terminu w głównym nurcie, ekolodzy po cichu pracowali nad matematyczną definicją relacji między węzłami gatunków w sieci ekologicznej. Na wyspie Tatoosh uczniowie Paine’a nadal badali baseny pływowe, dodając lub usuwając gatunki, aby zobaczyć, które z nich są najważniejsze dla społeczności. Dokonując dokładnych pomiarów przez wiele lat, określili ilościowo względną zdolność każdego pasącego się zwierzęcia do wpływania na zdolność młodych wodorostów do zakorzenienia się – pomiar ten Paine nazwał „siłą interakcji na mieszkańca”, a później stał się znany jako „zwornik”. Jeśli organizm miał wysoką zworność, każdy osobnik miał nieproporcjonalnie duży wpływ na swój ekosystem.

Jednak większość ludzi nie przestrzegała tej nowej matematyki ekologicznej. W latach dziewięćdziesiątych niektórzy ekolodzy zaniepokoili się, że nadużywanie „gatunków kluczowych” zmienia i osłabia znaczenie tego pojęcia. Nadeszła pora, żeby to rozgryźć. W grudniu 1990 r. w Hilo na Hawajach odbyła się mała konferencja ekologów – niektórzy sami określali się mianem „zwornikowych gliniarzy” – w celu opracowania konsensusowej definicji. Kierując się obliczeniami Paine’a i Powera, zgodzili się, że „gatunek kluczowy to gatunek, którego wpływ na społeczność lub ekosystem jest duży i znacznie większy, niż można by się spodziewać na podstawie jego liczebności”.

Zgodnie z tą definicją łosoś nie jest gatunkiem kluczowym, mimo że ma znaczenie ekologiczne. „Jeśli wyłowisz z rzeki jednego łososia, nie będzie to miało wielkiego skutku” – powiedział Salomon. Dla kontrastu, jeśli wyjmiesz jedną gwiazdę morską z kawałka strefy międzypływowej, „będzie to miało duży wpływ”.

Konwencja w Hilo była godnym przedsięwzięciem. Nie powstrzymało to jednak badaczy przed nadawaniem nazw nowym zwornikom w następnych dziesięcioleciach. „Problem polega na tym, że nie ma żadnych standardów, których przestrzegają badacze przy wyznaczaniu organizmu badawczego jako zwornika” – stwierdziła Bruce’a Menge’a, ekolog społeczny na Uniwersytecie Stanowym Oregon i inny były absolwent Paine. „Każdy może sugerować, argumentować lub spekulować, że jego gatunek jest zwornikiem”. I rzeczywiście, nowa analiza ujawniła niedawno, jak daleko sięga ta koncepcja.

Wszyscy jesteśmy tutaj Keystones

W 2021 r. Ishana Shukla była absolwentką Uniwersytetu Wiktorii, chcącą analizować cechy gatunków zwornikowych. „Naiwnie myślałam, że wystarczy wygooglować listę kluczowych gatunków i wyświetli się piękna lista” – powiedziała. Kiedy nie mogła go znaleźć, pomyślała, że ​​stworzy własny. Przeanalizowała opublikowane dane z ponad 50 lat, obejmujące 157 badań, i zidentyfikowała 230 gatunków uznawanych za zworniki. Zauważyła, że ​​w miarę postępu wiedzy ekologicznej „funkcja zwornika zaczęła się coraz bardziej rozszerzać”.

Ona i jej współautorzy używają techniki analitycznej, która porządkuje elementy w powiązane grupy znaleziono pięć typów gatunków zwornikowych: duże mięsożerne kręgowce, takie jak rekiny i wilki; bezkręgowce, takie jak jeżowiec długokolcowy i motyl kapuściany; gatunki średnie w stadzie, które są zarówno drapieżne, jak i żerujące, takie jak leszcz i byczek; bezkręgowce pełniące istotne role w sieciach pokarmowych, takie jak krewetki północne i pszczoły miodne; oraz małe ssaki, które modyfikują siedliska, takie jak szczur lodowy i piesek preriowy.

„Zidentyfikowaliśmy cały szereg kluczowych elementów, które niekoniecznie są objęte działaniami ochronnymi lub uwagą związaną z ochroną przyrody, ale widzimy, że są one niezwykle ważne dla naszego ekosystemu” – powiedział shukla, obecnie doktorant na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis.

„Najważniejszym przesłaniem tego artykułu było to, że nie wszystkie gatunki kluczowe są takie same” – stwierdził Diane Srivastava, ekolog z Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej, który pracując w Kostaryce, zidentyfikował larwy damselfly jako kluczowy gatunek w wodzie zgromadzonej w liściach bromeliady. „Opinia publiczna postrzega gatunki kluczowe jako duże ssaki lądowe… choć w rzeczywistości większość z nich taka nie jest. Większość gatunków zworników to gatunki wodne. Wiele z nich nie jest drapieżnikami. Jest tu duża liczba bezkręgowców.

W artykule nie podjęto jednak próby oceny, czy gatunki te są prawdziwymi matematycznymi zwornikami, czy nie. Zamiast tego, jak stwierdziła Menge, Shukla i jej współpracownicy jedynie podsumowali, w jaki sposób termin ten był używany i nadużywany. W ten sposób badanie raczej uwypukliło, a nie skomplikowało, „kontynuację liberalnego stosowania terminu «gatunek kluczowy» w odniesieniu do każdego silnego czynnika oddziałującego, który ma pośrednie konsekwencje” – stwierdził.

Żadna z kategorii Shukli nie obejmowała drobnoustrojów. Rzeczywiście, Paine i inni w ogóle nie myśleli w swoich eksperymentach o mikroorganizmach. A jednak ilościowe określenie zworności stało się przedmiotem nowego kierunku badań w mikrobiologii medycznej.

Klucz w twoich jelitach

Mikrobiomy obejmują setki do tysięcy gatunków drobnoustrojów wchodzących w interakcje w złożonym ekosystemie. Dlaczego więc nie mieliby mieć także gatunków kluczowych?

„Przypuszczalnie, jeśli istnieje gatunek kluczowy, system może być dość delikatny” – powiedział Yang Yu Liu, która bada mikrobiom w Brigham and Women's Hospital i Harvard Medical School. Na przykład, jeśli antybiotyki zabiją kluczowy mikroorganizm jelitowy, ekosystem drobnoustrojów może się załamać i spowodować komplikacje zdrowotne. „Dlatego interesuje mnie identyfikacja kluczowych gatunków ze społeczności drobnoustrojów” – powiedział.

Usuwanie gatunków z ludzkich mikrobiomów jeden po drugim nie jest technicznie ani etycznie możliwe, tak jak wyrywa się rozgwiazdy ze skał. Zamiast tego Liu i jego koledzy zwrócił się do AI w artykule opublikowanym w listopadzie br Ekologia i ewolucja przyrody. Wykorzystując dane z baz danych mikrobiomów jelitowych, jamy ustnej, gleby i koralowców, wytrenowano model głębokiego uczenia się w celu uszeregowania znaczenia gatunków w zbiorowiskach drobnoustrojów, sprawdzając, co stało się ze społecznością po usunięciu każdego gatunku z modelowego mikrobiomu – zasadniczo określając ilościowo kluczowy element -istość każdego drobnoustroju.

W analizie Liu „nie znaleźliśmy żadnego gatunku o bardzo dużym zworniku” – stwierdził. Najwyższa obliczona wartość wynosiła około 0.2. Przy ich definicji zniekształcenia trapezowego mieszczącej się w przedziale od zera do 1, „0.2 to naprawdę niezbyt duża liczba” – stwierdził.

Nie oznacza to, że społeczności mikroorganizmów nie mają zworników. Liu uważa, że ​​społeczności te charakteryzują się bardzo wysokim poziomem redundancji funkcjonalnej, co oznacza, że ​​istnieje wiele gatunków mogą pełnić podobne role ekologiczne i dlatego mogą być wymienne. Niektóre gatunki mogą charakteryzować się dużą zwornością nie w sensie absolutnym, ale w odniesieniu do mikrobiomu danej osoby, który jest wysoce spersonalizowany. „Te gatunki są dość ważne w tym sensie, że jeśli je usuniesz, system może bardzo się zmienić” – powiedział Liu.

W tym sensie w społecznościach drobnoustrojów koncepcja gatunku kluczowego zależy od kontekstu. Zwornik w jednym mikrobiomie może nie być zwornikiem w innym. „Mam wrażenie, że ekolodzy nie docenili tego aspektu” – stwierdził Liu.

Ekolodzy zmagają się obecnie z kontekstową naturą gatunków kluczowych wykraczających poza drobnoustroje i zastanawiają się, czy i w jaki sposób koncepcja ta ma znaczenie w obliczu utraty różnorodności biologicznej.

Ponowna ocena metafory

Menge poświęcił swoją karierę zrozumieniu struktury społeczności ekologicznych, kontynuując nacisk na skaliste brzegi, jaki czerpał z pracy dyplomowej z Paine'em. Odkrył, że kultowa fioletowa gwiazda Paine’a nie jest wszędzie gatunkiem kluczowym. W niektórych miejscach ma silniejszą zwornikowość, na przykład w basenach pływowych, gdzie fale są intensywniej uderzane. „Właściwie w bardziej osłoniętych miejscach gwiazda morska nie jest tak naprawdę zwornikiem” – powiedział.

Paine również to zaakceptował. Na Alasce, gdzie nie ma małża preferowanego przez bardziej fioletowe gwiazdy z południa, drapieżnik to „tylko kolejna gwiazda morska” – wspomina Power, jak powiedział Paine.

Fakt, że gatunki kluczowe są zależne od kontekstu oraz że różnią się w przestrzeni i czasie, „jest pomijany w badaniach krótkoterminowych” – stwierdził Menge.

Mimo to Srivastava nie jest gotowy odrzucić tej koncepcji. Chociaż skupienie się na zwornikach i pojedynczych gatunkach mogło odwrócić uwagę decydentów i działaczy na rzecz ochrony przyrody od bardziej holistycznego podejścia do ochrony, ochrona i przywracanie jednego gatunku może czasami przynieść korzyści wielu innym gatunkom w ekosystemie. „Nie oznacza to, że mamy spieszyć się z ratowaniem kluczowych gatunków i ignorować różnorodność systemu jako całości” – stwierdziła.

Srivastava podkreślił również, że zworniki nie są jedynym sposobem stabilizacji systemów. „Ekolodzy uważają obecnie, że niektóre z najważniejszych interakcji pod względem stabilności to w rzeczywistości interakcje stosunkowo słabe” – stwierdziła. „Jeśli masz dużą liczbę gatunków, które słabo ze sobą oddziałują, można to porównać do sytuacji, w której podczas wichury przywiązuje się dużą liczbę kołków do namiotu. Rozprasza część zakłóceń.”

Menge w dużej mierze się z tym zgadza. Dodał, że w obliczu globalnej utraty gatunków należy skupić się przede wszystkim na ochronie siedlisk i różnorodności biologicznej, a nie pojedynczych gatunków. „Gdyby te dwie rzeczy wykonano w wystarczającej liczbie miejsc, nie jestem pewien, czy koncepcja gatunku zwornikowego jest aż tak krytyczna”.

Być może jeden kamień kluczowy ma większe znaczenie niż pozostałe. W jednej z ostatnich prac Paine’a, opublikowanej w 2016 roku w dniu jego śmierci, on i ekolog Borys Robak zaproponował, że człowiek jest „gatunki hiperkeystone” – taki, który wywiera głębokie skutki poprzez wykorzystanie innych zworników.

Aby określić ilościowo nasz wpływ, nie można usunąć ludzi z systemu jak rozgwiazdy. Możemy jednak nauczyć się zmniejszać zworność poprzez skuteczne praktyki i politykę w zakresie ochrony środowiska, powiedział Salomon. „Mamy także możliwość nauczenia się, jak zarządzać sobą”.

To jeden z powodów, dla których ekolodzy wciąż na nowo definiują i ponownie rozważają gatunki kluczowe. Ten potężny symbol nigdzie się nie wybiera, ale dzięki ulepszonej definicji ludzie mogliby nauczyć się, jak lepiej go stosować.

Paine wiedział o tym. Salomon lubi dzielić się swoimi słowami ze swoimi uczniami: „Nie da się zarządzać z powodu niewiedzy. Trzeba wiedzieć, co robią gatunki, kogo jedzą, jaką rolę odgrywają te gatunki ofiar. Kiedy to wiesz, możesz podejmować mądre decyzje.