Здається, вчені-фізики знаходять феномен хаосу скрізь: на орбітах планет, у погодних системах, у вирах річок. Протягом майже трьох десятиліть екологи вважали хаос у живому світі напрочуд рідкісним явищем. Новий аналізоднак показує, що хаос набагато більше поширений в екосистемах, ніж вважали дослідники.
Таня Роджерс переглядаючи наукову літературу в пошуках недавніх досліджень хаосу в екосистемах, вона виявила щось несподіване: ніхто не публікував кількісного аналізу цього понад 25 років. «Це було дещо несподівано», — сказав Роджерс, дослідник-еколог з Каліфорнійського університету в Санта-Крус і перший автор нового дослідження. «На кшталт «Я не можу повірити, що цього ніхто не зробив».
Тому вона вирішила зробити це сама. Проаналізувавши понад 170 наборів залежних від часу даних екосистем, Роджерс та її колеги виявили, що хаос був присутній у третині з них — майже втричі більше, ніж оцінки в попередніх дослідженнях. Більше того, вони виявили, що певні групи організмів, такі як планктон, комахи та водорості, набагато більш схильні до хаосу, ніж більші організми, такі як вовки та птахи.
«Цього взагалі не було в літературі», — сказав Стефан Мунк, еволюційний еколог із Санта-Крус та співавтор дослідження. Їхні результати свідчать про те, що для захисту вразливих видів як можливо, так і необхідно побудувати більш складні популяційні моделі як орієнтири для політики збереження.
Коли екологію вперше визнали формальною наукою в 19 столітті, переважало припущення, що природа дотримується простих, зрозумілих правил, як механічний годинник, що приводиться в дію взаємоблокованими шестернями. Якби вчені могли виміряти правильні змінні, вони могли б передбачити результат: наприклад, більше дощу означало б кращий урожай яблук.
Насправді, через хаос, "світ став набагато більш небезпечним", Джордж Сугіхара, кількісний еколог з Інституту океанографії Скріппса в Сан-Дієго, який не брав участі в новому дослідженні. Хаос відображає передбачуваність у часі. Система називається стабільною, якщо вона дуже мало змінюється протягом тривалого часу, і випадковою, якщо її коливання непередбачувані. Але хаотична система — система, якою керують нелінійні реакції на події — може бути передбачуваною протягом короткого періоду часу, але піддається все більш драматичним змінам, чим далі ви йдете.
«Ми часто наводимо погоду як приклад хаотичної системи», — сказав Роджерс. Літній бриз над відкритим океаном, ймовірно, не вплине на завтрашній прогноз, але за правильних умов він теоретично може викликати ураган у Карибському басейні за кілька тижнів.
Екологи почали загравати з концепцією хаосу в 1970-х роках, коли біолог-математик Роберт Мей розробив революційний інструмент під назвою логістична карта. Ця розгалужена діаграма (іноді відома як павутинна схема через її зовнішній вигляд) показує, як хаос з часом проникає в прості моделі зростання населення та інші системи. Оскільки на виживання організмів сильно впливають такі хаотичні сили, як погода, екологи припустили, що популяції видів у природі також часто зростатимуть і падають хаотично. Логістичні карти швидко стали повсюдними в цій галузі, оскільки екологи-теоретики намагалися пояснити коливання чисельності таких організмів, як лосось і водорості, які викликають червоні припливи.
До початку 90-х років екологи зібрали достатньо наборів даних про популяції видів у часі та достатньо обчислювальної потужності, щоб перевірити ці ідеї. Була лише одна проблема: хаосу, здавалося, не було. Здавалося, що лише близько 10% досліджуваних популяцій змінюються хаотично; решта або стабільно змінювалися, або коливалися випадковим чином. Теорії екосистемного хаосу вийшли з наукової моди до середини 1990-х років.
Нові результати Роджерса, Мунка та їхнього колеги-математика з Санта-Круза Бетані Джонсон, однак, припускають, що старіші роботи пропустили те місце, де ховався хаос. Щоб виявити хаос, попередні дослідження використовували моделі з одним виміром — розміром популяції одного виду з часом. Вони не враховували відповідні зміни в безладних факторах реального світу, таких як температура, сонячне світло, кількість опадів і взаємодія з іншими видами, які можуть вплинути на популяції. Їхні одновимірні моделі фіксували, як змінилося населення, але не пояснювали, чому вони змінилися.
Але Роджерс і Мунк «шукали [хаос] більш розумним шляхом», — сказав він Аарон Кінг, професор екології та еволюційної біології Мічиганського університету, який не брав участі в дослідженні. Використовуючи три різні складні алгоритми, вони проаналізували 172 часові ряди популяцій різних організмів як моделі з шістьма вимірами, а не одним, залишаючи місце для потенційного впливу невизначених факторів навколишнього середовища. Таким чином вони могли перевірити, чи можуть непомічені хаотичні моделі бути вбудованими в одновимірне представлення змін населення. Наприклад, більша кількість опадів може бути хаотично пов’язана зі збільшенням чи зменшенням чисельності населення, але лише із затримкою в кілька років.
Роджерс, Джонсон і Мунк виявили, що в популяційних даних приблизно 34% видів дійсно присутні ознаки нелінійних взаємодій, що є значно більшим хаосом, ніж було виявлено раніше. У більшості цих наборів даних зміни популяції для виду спочатку не здавалися хаотичними, але зв’язок чисельності з основними факторами був. Вони не могли точно сказати, які чинники навколишнього середовища були відповідальними за хаос, але якими б вони не були, їхні відбитки пальців були в даних.
Дослідники також виявили зворотний зв’язок між розміром тіла організму та хаотичною динамікою його популяції. Це може бути пов’язано з різницею в часі генерації, оскільки маленькі організми, які розмножуються частіше, також частіше зазнають більшого впливу зовнішніх змінних. Наприклад, популяції діатомових водоростей із генерацією близько 15 годин демонструють набагато більший хаос, ніж зграї вовків із генерацією майже п’ять років.
Однак це не обов’язково означає, що популяції вовків за своєю суттю стабільні. «Одна з можливостей полягає в тому, що ми не бачимо там хаосу, тому що у нас просто недостатньо даних, щоб повернутися за достатньо довгий період часу, щоб побачити його», — сказав Мунк. Насправді він і Роджерс підозрюють, що через обмеження їхніх даних їхні моделі можуть недооцінювати рівень хаосу, що лежить в основі екосистем.
Сугіхара вважає, що нові результати можуть бути важливими для збереження. Покращені моделі з потрібним елементом хаосу могли б краще прогнозувати цвітіння токсичних водоростей, наприклад, або відстежувати популяцію риби, щоб запобігти надмірному вилову. Розгляд хаосу також може допомогти дослідникам і менеджерам з охорони природи зрозуміти, наскільки далеко можливо значуще передбачити розмір популяції. «Я вважаю, що це корисно, щоб це питання було в головах людей», - сказав він.
Однак і він, і Кінг застерігають від надто великої довіри до цих хаос-свідомих моделей. «Класична концепція хаосу — це принципово стаціонарна концепція», — сказав Кінг: вона побудована на припущенні, що хаотичні коливання являють собою відхилення від деякої передбачуваної, стабільної норми. Але в міру прогресування кліматичних змін більшість реальних екосистем стають дедалі нестабільнішими навіть у короткостроковій перспективі. Навіть беручи до уваги багато вимірів, вченим доведеться усвідомлювати цю базову лінію, яка постійно змінюється.
Тим не менш, врахування хаосу є важливим кроком до більш точного моделювання. «Я думаю, що це справді захоплююче», — сказав Мунк. «Це просто суперечить тому, як ми зараз думаємо про екологічну динаміку».
