物理科学家似乎到处都发现了混沌现象：在行星轨道中、在天气系统中、在河流的漩涡中。近三十年来，生态学家认为相比之下，生命世界中的混乱现象极其罕见。 一个新的分析然而，它揭示了生态系统中的混乱现象比研究人员想象的要普遍得多。
坦尼娅·罗杰斯 在回顾科学文献以了解最近有关生态系统混乱的研究时，她发现了一些意想不到的事情：25 年来没有人发表过对此的定量分析。 “这有点令人惊讶，”加州大学圣克鲁斯分校的研究生态学家、这项新研究的第一作者罗杰斯说。 “就像，‘我不敢相信没有人这样做过。’”
于是她决定自己做。 Rogers 和她的同事分析了 170 多组与时间相关的生态系统数据，发现其中三分之一存在混乱，几乎是之前研究估计的三倍。更重要的是，他们发现某些生物体，如浮游生物、昆虫和藻类，比狼和鸟类等大型生物体更容易陷入混乱。
“这确实根本不在文献中，”说 史蒂芬·蒙克是圣克鲁斯的进化生态学家，也是该研究的合著者。他们的结果表明，为了保护脆弱物种，建立更复杂的种群模型作为保护政策的指南既是可能的，也是必要的。
当生态学在 19 世纪首次被认为是一门正式科学时，普遍的假设是自然遵循简单、易于理解的规则，就像由互锁齿轮驱动的机械时钟一样。如果科学家能够测量正确的变量，他们就可以预测结果：例如，更多的降雨意味着苹果的收成更好。
事实上，由于混乱，“世界变得更加打地鼠”，他说。 乔治·杉原是圣地亚哥斯克里普斯海洋学研究所的定量生态学家，他没有参与这项新研究。混沌反映了随着时间的推移的可预测性。如果一个系统在很长一段时间内变化很小，则称该系统是稳定的；如果其波动不可预测，则称该系统是随机的。但是，一个由对事件的非线性响应所控制的混沌系统在短时间内可能是可以预测的，但随着时间的推移，它会受到越来越剧烈的变化的影响。
“我们经常以天气作为混沌系统的例子，”罗杰斯说。夏季吹过公海的微风可能不会影响明天的天气预报，但在适当的条件下，理论上它可能会在几周内将飓风席卷加勒比海。
生态学家在 1970 世纪 XNUMX 年代开始研究混沌的概念，当时数学生物学家 罗伯特·梅 开发了一种革命性的工具，称为物流地图。这个分支图（由于其外观有时被称为蜘蛛网图）显示了随着时间的推移，混乱如何渗透到人口增长和其他系统的简单模型中。由于生物体的生存受到天气等混乱力量的影响很大，生态学家认为自然界中的物种数量也经常会混乱地上升和下降。随着理论生态学家试图解释鲑鱼和引起赤潮的藻类等生物体的种群波动，逻辑图很快在该领域变得无处不在。
到 90 年代初，生态学家已经积累了足够的物种种群时间序列数据集和足够的计算能力来检验这些想法。只有一个问题：混乱似乎不存在。只有大约 10% 的受检查人群似乎发生了混乱的变化；其余的要么稳定循环，要么随机波动。到了 1990 世纪 XNUMX 年代中期，生态系统混沌理论就不再流行于科学界。
罗杰斯、蒙克和他们的圣克鲁斯数学家同事的新结果 贝瑟尼·约翰逊然而，这表明旧的工作错过了隐藏混乱的地方。为了检测混乱，早期的研究使用了单一维度的模型——一个物种随时间变化的种群规模。他们没有考虑混乱的现实世界因素的相应变化，例如温度、阳光、降雨以及可能影响种群的与其他物种的相互作用。他们的一维模型捕捉到了人口如何变化，但没有捕捉到它们变化的原因。
但罗杰斯和蒙克“以更明智的方式寻找[混乱]，”说 亚伦·金密歇根大学生态学和进化生物学教授，他没有参与这项研究。他们使用三种不同的复杂算法，分析了不同生物体种群的 172 个时间序列，将其作为具有多达六个维度（而不是只有一个维度）的模型，为未指定的环境因素的潜在影响留下了空间。通过这种方式，他们可以检查人口变化的一维表示中是否可能嵌入了未被注意到的混沌模式。例如，更多的降雨可能与人口的增加或减少存在混乱的联系，但只有在延迟了几年之后才会出现。
罗杰斯、约翰逊和蒙克发现，在约 34% 物种的种群数据中，确实存在非线性相互作用的特征，这比之前检测到的更加混乱。在大多数数据集中，物种的种群变化一开始并不显得混乱，但数量与潜在因素的关系却显得混乱。他们无法准确说出哪些环境因素造成了混乱，但无论是什么，他们的指纹都在数据上。
研究人员还发现，生物体的体型与其种群动态的混乱程度之间存在反比关系。这可能是由于世代时间的差异，繁殖更频繁的小生物体也更容易受到外部变量的影响。例如，世代时间约为 15 小时的硅藻种群比世代时间近 XNUMX 年的狼群表现出更多的混乱。
然而，这并不一定意味着狼种群本质上是稳定的。 “一种可能性是，我们没有看到那里的混乱，因为我们没有足够的数据来回溯足够长的时间来看到它，”蒙克说。事实上，他和罗杰斯怀疑，由于数据的限制，他们的模型可能低估了生态系统中存在的潜在混乱程度。
杉原认为新结果可能对保护很重要。例如，具有正确混沌元素的改进模型可以更好地预测有毒藻华，或跟踪渔业种群以防止过度捕捞。考虑混乱还可以帮助研究人员和保护管理者了解有意义地预测种群规模的可能性有多大。 “我确实认为让人们关注这个问题是有用的，”他说。
然而，他和金都警告不要过分相信这些混沌意识模型。金说：“混沌的经典概念从根本上来说是一个静止的概念。”它建立在这样的假设之上：混沌波动代表着对某些可预测的稳定规范的偏离。但随着气候变化的进展，即使在短期内，大多数现实世界的生态系统也变得越来越不稳定。即使考虑到许多维度，科学家也必须意识到这一不断变化的基线。
尽管如此，考虑混沌是迈向更准确建模的重要一步。 “我认为这真的很令人兴奋，”蒙克说。 “这与我们目前对生态动力学的思考方式背道而驰。”
