Fizycy zdają się znajdować zjawisko chaosu wszędzie: na orbitach planet, w systemach pogodowych, w wirujących wirach rzeki. Przez prawie trzy dekady ekolodzy uważali chaos w świecie żywych za zaskakująco rzadki w porównaniu. Nowa analizaujawnia jednak, że chaos jest znacznie bardziej rozpowszechniony w ekosystemach, niż sądzili naukowcy.
Tania Rogers przeglądała literaturę naukową w poszukiwaniu ostatnich badań nad chaosem w ekosystemach, kiedy odkryła coś nieoczekiwanego: nikt nie opublikował ilościowej analizy tego zjawiska od ponad 25 lat. „To było dość zaskakujące”, powiedział Rogers, ekolog badawczy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz i pierwszy autor nowego badania. „Na przykład: „Nie mogę uwierzyć, że nikt tego nie zrobił”.
Postanowiła więc zrobić to sama. Analizując ponad 170 zestawów danych ekosystemowych zależnych od czasu, Rogers i jej koledzy odkryli, że chaos był obecny w jednej trzeciej z nich – prawie trzy razy więcej niż oszacowano w poprzednich badaniach. Co więcej, odkryli, że pewne grupy organizmów, takie jak plankton, owady i glony, były znacznie bardziej podatne na chaos niż większe organizmy, takie jak wilki i ptaki.
„To naprawdę nie było w ogóle w literaturze”, powiedział Stephana Muncha, ekolog ewolucyjny z Santa Cruz i współautor badania. Ich wyniki sugerują, że w celu ochrony gatunków wrażliwych możliwe i konieczne jest budowanie bardziej złożonych modeli populacji jako wytycznych dla polityki ochrony.
Kiedy ekologia została po raz pierwszy uznana za naukę formalną w XIX wieku, dominowało założenie, że natura kieruje się prostymi, łatwymi do zrozumienia zasadami, jak mechaniczny zegar napędzany zazębionymi zębatkami. Gdyby naukowcy mogli zmierzyć właściwe zmienne, mogliby przewidzieć wynik: na przykład więcej deszczu oznaczałoby lepsze zbiory jabłek.
W rzeczywistości, z powodu chaosu, „świat jest o wiele bardziej walnięty”, powiedział Jerzego Sugihary, ekolog ilościowy w Scripps Institution of Oceanography w San Diego, który nie był zaangażowany w nowe badania. Chaos odzwierciedla przewidywalność w czasie. Mówi się, że system jest stabilny, jeśli zmienia się bardzo niewiele w długim okresie czasu, a losowy, jeśli jego wahania są nieprzewidywalne. Jednak system chaotyczny — rządzony przez nieliniowe reakcje na zdarzenia — może być przewidywalny w krótkich okresach, ale w miarę postępu ulega coraz bardziej dramatycznym zmianom.
„Często podajemy pogodę jako przykład chaotycznego systemu” – powiedział Rogers. Letnia bryza nad otwartym oceanem prawdopodobnie nie wpłynie na jutrzejszą prognozę, ale w odpowiednich warunkach może teoretycznie posłać huragan na Karaiby w ciągu kilku tygodni.
Ekolodzy zaczęli flirtować z pojęciem chaosu w latach 1970., kiedy biolog matematyczny Robert Maja opracował rewolucyjne narzędzie zwane mapą logistyczną. Ten rozgałęziony diagram (czasami znany jako wykres pajęczyny ze względu na swój wygląd) pokazuje, jak chaos wkrada się w proste modele wzrostu populacji i inne systemy w czasie. Ponieważ na przetrwanie organizmów tak duży wpływ mają siły chaotyczne, takie jak pogoda, ekolodzy założyli, że populacje gatunków w przyrodzie również często rosną i spadają w sposób chaotyczny. Mapy logistyczne szybko stały się wszechobecne w tej dziedzinie, ponieważ ekolodzy teoretyczni starali się wyjaśnić fluktuacje populacji organizmów takich jak łosoś i glony, które powodują czerwone przypływy.
Na początku lat 90. ekolodzy zgromadzili wystarczającą ilość zestawów danych szeregów czasowych dotyczących populacji gatunków i wystarczającą moc obliczeniową, aby przetestować te pomysły. Był tylko jeden problem: chaosu nie było. Jedynie około 10% badanych populacji wydawało się zmieniać chaotycznie; reszta albo krążyła stabilnie, albo zmieniała się losowo. Teorie chaosu ekosystemowego wyszły z naukowej mody w połowie lat dziewięćdziesiątych.
Nowe wyniki Rogersa, Muncha i ich kolegi matematyka z Santa Cruz Bethany Johnsonsugerują jednak, że starsza praca pominęła miejsce, w którym krył się chaos. Aby wykryć chaos, wcześniejsze badania wykorzystywały modele z jednym wymiarem — wielkością populacji jednego gatunku w czasie. Nie wzięli pod uwagę odpowiednich zmian w bałaganiarskich czynnikach świata rzeczywistego, takich jak temperatura, światło słoneczne, opady i interakcje z innymi gatunkami, które mogą wpływać na populacje. Ich jednowymiarowe modele uchwyciły, jak zmieniły się populacje, ale nie dlaczego się zmieniły.
Ale Rogers i Munch „poszukiwali [chaosu] w bardziej rozsądny sposób”, powiedzieli Aaron Król, profesor ekologii i biologii ewolucyjnej na Uniwersytecie Michigan, który nie był zaangażowany w badania. Korzystając z trzech różnych złożonych algorytmów, przeanalizowali 172 szeregi czasowe populacji różnych organizmów jako modele z aż sześcioma wymiarami, a nie tylko jednym, pozostawiając miejsce na potencjalny wpływ nieokreślonych czynników środowiskowych. W ten sposób mogli sprawdzić, czy niezauważone chaotyczne wzorce mogą być osadzone w jednowymiarowej reprezentacji zmian populacji. Na przykład, więcej opadów może być chaotycznie powiązane ze wzrostem lub spadkiem populacji, ale tylko z kilkuletnim opóźnieniem.
Rogers, Johnson i Munch odkryli, że w danych populacyjnych dla około 34% gatunków rzeczywiście obecne były sygnatury oddziaływań nieliniowych, co stanowiło znacznie większy chaos niż wcześniej wykryto. W większości tych zestawów danych zmiany populacji gatunku nie wydawały się początkowo chaotyczne, ale związek liczb z czynnikami leżącymi u ich podłoża był taki. Nie potrafili dokładnie określić, które czynniki środowiskowe były odpowiedzialne za chaos, ale cokolwiek to było, ich odciski palców znajdowały się na danych.
Naukowcy odkryli również odwrotną zależność między wielkością ciała organizmu a chaotyczną dynamiką jego populacji. Może to wynikać z różnic w czasie generacji, przy czym małe organizmy, które częściej się rozmnażają, są również częściej pod wpływem zmiennych zewnętrznych. Na przykład populacje okrzemek z pokoleniami liczącymi około 15 godzin wykazują znacznie większy chaos niż watahy wilków z pokoleniami prawie pięcioletnimi.
Nie musi to jednak oznaczać, że populacje wilków są z natury stabilne. „Jedną z możliwości jest to, że nie widzimy tam chaosu, ponieważ po prostu nie mamy wystarczającej ilości danych, aby cofnąć się przez wystarczająco długi okres czasu, aby go zobaczyć”, powiedział Munch. W rzeczywistości, on i Rogers podejrzewają, że z powodu ograniczeń ich danych ich modele mogą nie doceniać tego, jak duży chaos jest obecny w ekosystemach.
Sugihara uważa, że nowe wyniki mogą być ważne dla ochrony. Udoskonalone modele z odpowiednim elementem chaosu mogłyby na przykład lepiej przewidywać toksyczne zakwity glonów lub śledzić populacje łowisk, aby zapobiec przełowieniu. Uwzględnienie chaosu może również pomóc naukowcom i kierownikom ds. ochrony przyrody w zrozumieniu, jak daleko jest możliwe przewidywanie wielkości populacji. „Uważam, że dobrze jest, aby ten problem był w umysłach ludzi” – powiedział.
Jednak zarówno on, jak i King ostrzegają przed zbyt dużym zaufaniem do tych świadomych chaosu modeli. „Klasyczna koncepcja chaosu jest zasadniczo koncepcją stacjonarną”, powiedział King: Jest zbudowana na założeniu, że chaotyczne fluktuacje stanowią odstępstwo od jakiejś przewidywalnej, stabilnej normy. Jednak wraz z postępującą zmianą klimatu większość rzeczywistych ekosystemów staje się coraz bardziej niestabilna, nawet w krótkim okresie. Nawet biorąc pod uwagę wiele wymiarów, naukowcy będą musieli być świadomi tej ciągle zmieniającej się linii bazowej.
Jednak uwzględnienie chaosu jest ważnym krokiem w kierunku dokładniejszego modelowania. „Myślę, że to naprawdę ekscytujące”, powiedział Munch. „To po prostu jest sprzeczne ze sposobem, w jaki obecnie myślimy o dynamice ekologicznej”.
