Fysikaliska forskare verkar hitta fenomenet kaos överallt: i planeternas banor, i vädersystem, i en flods virvlande virvlande. I nästan tre decennier ansåg ekologer att kaos i den levande världen var förvånansvärt sällsynt i jämförelse. En ny analys, men avslöjar att kaos är mycket vanligare i ekosystem än forskare trodde.
Tanya Rogers tittade tillbaka genom den vetenskapliga litteraturen efter nyare studier om kaos i ekosystem när hon upptäckte något oväntat: Ingen hade publicerat en kvantitativ analys av det på över 25 år. "Det var lite överraskande", säger Rogers, en forskningsekolog vid University of California, Santa Cruz och den nya studiens första författare. "Som, 'Jag kan inte fatta att ingen har gjort det här'."
Så hon bestämde sig för att göra det själv. Genom att analysera mer än 170 uppsättningar av tidsberoende ekosystemdata fann Rogers och hennes kollegor att kaos var närvarande i en tredjedel av dem - nästan tre gånger mer än uppskattningarna i tidigare studier. Dessutom upptäckte de att vissa grupper av organismer, som plankton, insekter och alger, var mycket mer utsatta för kaos än större organismer som vargar och fåglar.
"Det var verkligen inte i litteraturen alls," sa Stephan Munch, en evolutionär ekolog vid Santa Cruz och en medförfattare till studien. Deras resultat tyder på att för att skydda sårbara arter är det både möjligt och nödvändigt att bygga mer komplexa populationsmodeller som vägledning för bevarandepolitik.
När ekologi först erkändes som en formell vetenskap på 19-talet, var det rådande antagandet att naturen följer enkla, lättförståeliga regler, som en mekanisk klocka som drivs av sammankopplade växlar. Om forskarna kunde mäta rätt variabler skulle de kunna förutsäga resultatet: Mer regn skulle till exempel innebära en bättre äppelskörd.
I verkligheten, på grund av kaos, "är världen mycket mer mullvad", sa George Sugihara, en kvantitativ ekolog vid Scripps Institution of Oceanography i San Diego som inte var involverad i den nya forskningen. Kaos speglar förutsägbarhet över tid. Ett system sägs vara stabilt om det förändras mycket lite över en lång tidsskala, och slumpmässigt om dess fluktuationer är oförutsägbara. Men ett kaotiskt system – ett som styrs av olinjära reaktioner på händelser – kan vara förutsägbart under korta perioder men är föremål för allt mer dramatiska förändringar ju längre ut du kommer.
"Vi ger ofta vädret som ett exempel på ett kaotiskt system," sa Rogers. En sommarbris över det öppna havet kommer förmodligen inte att påverka morgondagens prognos, men under precis rätt förhållanden kan det teoretiskt sett skicka en orkan som plöjer in i Karibien om några veckor.
Ekologer började flirta med begreppet kaos på 1970-talet, när den matematiska biologen Robert May utvecklat ett revolutionerande verktyg som kallas logistikkartan. Detta förgreningsdiagram (ibland känt som en spindelvävsplot på grund av dess utseende) visar hur kaos smyger sig in i enkla modeller av befolkningstillväxt och andra system över tiden. Eftersom organismers överlevnad påverkas så mycket av kaotiska krafter som vädret, antog ekologer att artpopulationer i naturen också ofta skulle stiga och falla kaotiskt. Logistiska kartor blev snabbt allmänt förekommande i fältet eftersom teoretiska ekologer försökte förklara populationsfluktuationer i organismer som lax och alger som orsakar röda tidvatten.
I början av 90-talet hade ekologer samlat på sig tillräckligt med tidsseriedata om artpopulationer och tillräckligt med datorkraft för att testa dessa idéer. Det fanns bara ett problem: kaoset verkade inte vara där. Endast cirka 10 % av de undersökta populationerna verkade förändras kaotiskt; resten cyklade antingen stabilt eller fluktuerade slumpmässigt. Teorier om ekosystemkaos föll ur vetenskapligt mode i mitten av 1990-talet.
De nya resultaten från Rogers, Munch och deras matematikerkollega i Santa Cruz Bethany Johnson, men tyder på att det äldre verket missade där kaoset gömde sig. För att upptäcka kaos använde de tidigare studierna modeller med en enda dimension - populationsstorleken för en art över tid. De övervägde inte motsvarande förändringar i röriga verkliga faktorer som temperatur, solljus, nederbörd och interaktioner med andra arter som kan påverka populationer. Deras endimensionella modeller fångade hur populationerna förändrades, men inte varför de förändrades.
Men Rogers och Munch "sökte efter [kaos] på ett mer förnuftigt sätt", sa Aaron King, en professor i ekologi och evolutionsbiologi vid University of Michigan som inte var involverad i studien. Med hjälp av tre olika komplexa algoritmer analyserade de 172 tidsserier av olika organismers populationer som modeller med så många som sex dimensioner snarare än bara en, vilket lämnade utrymme för potentiell påverkan av ospecificerade miljöfaktorer. På så sätt kunde de kontrollera om obemärkta kaotiska mönster kan vara inbäddade i den endimensionella representationen av befolkningsförskjutningarna. Till exempel kan mer nederbörd vara kaotiskt kopplat till befolkningsökningar eller -minskningar, men först efter en försening på flera år.
I populationsdata för cirka 34 % av arterna, upptäckte Rogers, Johnson och Munch, var signaturerna för olinjära interaktioner verkligen närvarande, vilket var betydligt mer kaos än vad som tidigare upptäckts. I de flesta av dessa datamängder verkade populationsförändringarna för arten först inte vara kaotiska, men förhållandet mellan siffrorna och underliggande faktorer var det. De kunde inte säga exakt vilka miljöfaktorer som var ansvariga för kaoset, men vad de än var fanns deras fingeravtryck på data.
Forskarna upptäckte också ett omvänt förhållande mellan en organisms kroppsstorlek och hur kaotisk dess populationsdynamik tenderar att vara. Detta kan bero på skillnader i generationstid, där små organismer som häckar oftare också oftare påverkas av externa variabler. Till exempel uppvisar populationer av kiselalger med generationer på runt 15 timmar mycket mer kaos än vargflockar med generationer nästan fem år långa.
Det betyder dock inte nödvändigtvis att vargbestånden i sig är stabila. "En möjlighet är att vi inte ser kaos där eftersom vi helt enkelt inte har tillräckligt med data för att gå tillbaka under en tillräckligt lång tid för att se det," sa Munch. Faktum är att han och Rogers misstänker att deras modeller på grund av begränsningarna i deras data kan underskatta hur mycket underliggande kaos som finns i ekosystemen.
Sugihara tror att de nya resultaten kan vara viktiga för bevarandet. Förbättrade modeller med rätt element av kaos skulle kunna göra ett bättre jobb med att till exempel förutse giftiga algblomningar eller spåra fiskepopulationer för att förhindra överfiske. Att överväga kaos kan också hjälpa forskare och naturvårdsförvaltare att förstå hur långt ut det är möjligt att på ett meningsfullt sätt förutsäga populationens storlek. "Jag tror att det är användbart för frågan att vara i folks medvetande," sa han.
Han och King varnar dock båda för att lita för mycket på dessa kaosmedvetna modeller. "Det klassiska begreppet kaos är i grunden ett stationärt begrepp," sa King: Det bygger på antagandet att kaotiska fluktuationer representerar ett avsteg från någon förutsägbar, stabil norm. Men allt eftersom klimatförändringarna fortskrider blir de flesta ekosystem i den verkliga världen allt mer instabila även på kort sikt. Även om man tar hänsyn till många dimensioner måste forskare vara medvetna om denna ständigt föränderliga baslinje.
Att ta hänsyn till kaos är ändå ett viktigt steg mot mer exakt modellering. "Jag tycker att det här är riktigt spännande," sa Munch. "Det strider bara mot hur vi för närvarande tänker om ekologisk dynamik."
