Các nhà khoa học vật lý dường như tìm thấy hiện tượng hỗn loạn ở khắp mọi nơi: trong quỹ đạo của các hành tinh, trong các hệ thống thời tiết, trong các dòng xoáy xoáy của một con sông. Trong gần ba thập kỷ, các nhà sinh thái học coi sự hỗn loạn trong thế giới sống là điều hiếm thấy đáng ngạc nhiên khi so sánh. Một phân tích mớituy nhiên, tiết lộ rằng sự hỗn loạn phổ biến trong các hệ sinh thái hơn nhiều so với các nhà nghiên cứu nghĩ.
Tanya Rogers Đang xem lại các tài liệu khoa học về các nghiên cứu gần đây về sự hỗn loạn trong hệ sinh thái thì cô ấy phát hiện ra một điều bất ngờ: Không ai công bố một phân tích định lượng về nó trong hơn 25 năm. Rogers, một nhà sinh thái học nghiên cứu tại Đại học California, Santa Cruz và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu mới cho biết: “Thật là ngạc nhiên. "Giống như, 'Tôi không thể tin rằng không có ai làm điều này.'"
Vì vậy, cô quyết định tự mình làm điều đó. Phân tích hơn 170 bộ dữ liệu hệ sinh thái phụ thuộc vào thời gian, Rogers và các đồng nghiệp của cô nhận thấy rằng sự hỗn loạn hiện diện ở một phần ba trong số đó - nhiều hơn gần ba lần so với ước tính trong các nghiên cứu trước đó. Hơn nữa, họ phát hiện ra rằng một số nhóm sinh vật nhất định, như sinh vật phù du, côn trùng và tảo, dễ bị hỗn loạn hơn nhiều so với các sinh vật lớn hơn như sói và chim.
“Điều đó thực sự không có trong tài liệu,” nói Stephan Munch, một nhà sinh thái học tiến hóa tại Santa Cruz và là đồng tác giả của nghiên cứu. Kết quả của họ cho thấy rằng để bảo vệ các loài dễ bị tổn thương, có thể và cần thiết phải xây dựng các mô hình quần thể phức tạp hơn để làm hướng dẫn cho các chính sách bảo tồn.
Khi sinh thái học lần đầu tiên được công nhận là một khoa học chính thức vào thế kỷ 19, giả định phổ biến là tự nhiên tuân theo các quy tắc đơn giản, dễ hiểu, giống như một chiếc đồng hồ cơ học được điều khiển bởi các bánh răng lồng vào nhau. Nếu các nhà khoa học có thể đo đúng các biến, họ có thể dự đoán kết quả: Chẳng hạn, mưa nhiều hơn sẽ có nghĩa là thu hoạch táo tốt hơn.
Trên thực tế, vì sự hỗn loạn, "thế giới trở nên khác biệt hơn rất nhiều", nói George Sugihara, một nhà sinh thái học định lượng tại Viện Hải dương học Scripps ở San Diego, người không tham gia vào nghiên cứu mới. Sự hỗn loạn phản ánh khả năng dự đoán theo thời gian. Một hệ thống được cho là ổn định nếu nó thay đổi rất ít trong một khoảng thời gian dài và ngẫu nhiên nếu biến động của nó là không thể đoán trước. Nhưng một hệ thống hỗn loạn - một hệ thống được cai trị bởi các phản ứng phi tuyến tính đối với các sự kiện - có thể dự đoán được trong thời gian ngắn nhưng sẽ có những thay đổi ngày càng gay gắt khi bạn càng đi ra ngoài.
Rogers nói: “Chúng tôi thường lấy thời tiết làm ví dụ về một hệ thống hỗn loạn. Một làn gió mùa hè trên đại dương rộng mở có thể sẽ không ảnh hưởng đến dự báo ngày mai, nhưng chỉ trong những điều kiện thích hợp, về mặt lý thuyết, nó có thể đưa một cơn bão vào vùng Caribe trong vài tuần tới.
Các nhà sinh thái học bắt đầu tán tỉnh khái niệm về sự hỗn loạn vào những năm 1970, khi nhà sinh học toán học Robert May đã phát triển một công cụ mang tính cách mạng gọi là bản đồ hậu cần. Biểu đồ phân nhánh này (đôi khi được gọi là biểu đồ mạng nhện vì vẻ ngoài của nó) cho thấy sự hỗn loạn len lỏi vào các mô hình đơn giản về tăng trưởng dân số và các hệ thống khác theo thời gian. Vì sự tồn tại của các sinh vật bị ảnh hưởng rất nhiều bởi các lực hỗn loạn như thời tiết, các nhà sinh thái học cho rằng các quần thể loài trong tự nhiên cũng thường lên xuống hỗn loạn. Bản đồ hậu cần nhanh chóng trở nên phổ biến trong lĩnh vực này khi các nhà sinh thái học lý thuyết tìm cách giải thích sự biến động dân số ở các sinh vật như cá hồi và tảo gây ra thủy triều đỏ.
Vào đầu những năm 90, các nhà sinh thái học đã tích lũy đủ bộ dữ liệu chuỗi thời gian về các quần thể loài và đủ khả năng tính toán để kiểm tra những ý tưởng này. Chỉ có một vấn đề: Sự hỗn loạn dường như không có ở đó. Chỉ khoảng 10% dân số được kiểm tra dường như thay đổi một cách hỗn loạn; phần còn lại theo chu kỳ ổn định hoặc dao động ngẫu nhiên. Các lý thuyết về sự hỗn loạn hệ sinh thái đã không còn hợp thời với khoa học vào giữa những năm 1990.
Kết quả mới từ Rogers, Munch và đồng nghiệp nhà toán học Santa Cruz của họ Bethany Johnsontuy nhiên, gợi ý rằng tác phẩm cũ đã bỏ lỡ nơi mà sự hỗn loạn đang ẩn náu. Để phát hiện sự hỗn loạn, các nghiên cứu trước đây đã sử dụng các mô hình với một chiều duy nhất - kích thước quần thể của một loài theo thời gian. Họ không xem xét những thay đổi tương ứng trong các yếu tố lộn xộn trong thế giới thực như nhiệt độ, ánh sáng mặt trời, lượng mưa và tương tác với các loài khác có thể ảnh hưởng đến quần thể. Các mô hình một chiều của họ đã nắm bắt được cách các quần thể thay đổi, nhưng không phải lý do tại sao chúng thay đổi.
Nhưng Rogers và Munch “đã tìm kiếm [sự hỗn loạn] theo một cách hợp lý hơn,” nói Vua Aaron, một giáo sư sinh thái học và sinh học tiến hóa tại Đại học Michigan, người không tham gia vào nghiên cứu. Sử dụng ba thuật toán phức tạp khác nhau, họ đã phân tích 172 chuỗi thời gian của các quần thể sinh vật khác nhau dưới dạng mô hình với nhiều nhất là sáu chiều thay vì chỉ một, để lại chỗ cho ảnh hưởng tiềm tàng của các yếu tố môi trường không xác định. Bằng cách này, họ có thể kiểm tra xem liệu các mẫu hỗn loạn không được chú ý có thể được nhúng vào trong biểu diễn một chiều của sự thay đổi dân số hay không. Ví dụ, lượng mưa nhiều hơn có thể liên quan đến sự gia tăng hoặc giảm dân số một cách hỗn loạn, nhưng chỉ sau một vài năm trì hoãn.
Trong dữ liệu dân số của khoảng 34% loài, Rogers, Johnson và Munch đã phát hiện ra, dấu hiệu của các tương tác phi tuyến thực sự có mặt, hỗn loạn hơn đáng kể so với những gì đã được phát hiện trước đây. Trong hầu hết các tập dữ liệu đó, sự thay đổi dân số của các loài lúc đầu không có vẻ hỗn loạn, nhưng mối quan hệ của các con số với các yếu tố cơ bản là. Họ không thể nói chính xác yếu tố môi trường nào là nguyên nhân gây ra sự hỗn loạn, nhưng cho dù đó là gì, dấu vân tay của họ đều có trên dữ liệu.
Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra mối quan hệ nghịch đảo giữa kích thước cơ thể của một sinh vật và động lực dân số của nó có xu hướng hỗn loạn như thế nào. Điều này có thể là do sự khác biệt về thời gian thế hệ, với các sinh vật nhỏ sinh sản thường xuyên hơn cũng bị ảnh hưởng bởi các biến bên ngoài thường xuyên hơn. Ví dụ, các quần thể tảo cát có các thế hệ kéo dài khoảng 15 giờ cho thấy sự hỗn loạn hơn nhiều so với các đàn sói có các thế hệ kéo dài gần XNUMX năm.
Tuy nhiên, điều đó không nhất thiết có nghĩa là quần thể sói vốn đã ổn định. Munch nói: “Một khả năng là chúng ta không nhìn thấy sự hỗn loạn ở đó bởi vì chúng ta không có đủ dữ liệu để quay lại trong một khoảng thời gian đủ dài để xem nó. Trên thực tế, ông và Rogers nghi ngờ rằng do những ràng buộc về dữ liệu của họ, các mô hình của họ có thể đang đánh giá thấp mức độ hỗn loạn tiềm ẩn hiện diện trong hệ sinh thái.
Sugihara cho rằng kết quả mới có thể rất quan trọng đối với việc bảo tồn. Ví dụ, các mô hình được cải tiến với yếu tố hỗn loạn phù hợp có thể thực hiện tốt hơn công việc dự báo sự nở hoa của tảo độc hoặc theo dõi các quần thể thủy sản để ngăn chặn việc đánh bắt quá mức. Việc xem xét sự hỗn loạn cũng có thể giúp các nhà nghiên cứu và quản lý bảo tồn hiểu được mức độ có thể dự đoán một cách có ý nghĩa về quy mô dân số. Ông nói: “Tôi nghĩ rằng điều đó rất hữu ích khi vấn đề này hiện hữu trong tâm trí mọi người.
Tuy nhiên, ông và King đều cảnh báo không nên đặt quá nhiều niềm tin vào những mô hình có ý thức về sự hỗn loạn này. King nói: “Khái niệm cổ điển về sự hỗn loạn về cơ bản là một khái niệm cố định. Nhưng khi biến đổi khí hậu diễn ra, hầu hết các hệ sinh thái trong thế giới thực ngày càng trở nên không ổn định ngay cả trong ngắn hạn. Ngay cả khi tính đến nhiều khía cạnh, các nhà khoa học sẽ phải nhận thức được đường cơ sở luôn thay đổi này.
Tuy nhiên, xem xét sự hỗn loạn là một bước quan trọng để tạo mô hình chính xác hơn. “Tôi nghĩ điều này thực sự thú vị,” Munch nói. "Nó chỉ chạy ngược lại cách chúng ta hiện đang nghĩ về động lực sinh thái."
