Краят на Дарвин? Учени разкриха защо „законът на най-силния“ не обяснява всичко в природата

От една страна, в природата наблюдаваме голямо разнообразие от форми на живот. Хиляди видове фитопланктон могат да съжителстват в една капка морска вода, а стотици дървесни видове – в един хектар тропическа гора. От друга страна, класическите математически модели предвиждат, че подобно съжителство е невъзможно.

Според принципа на конкурентното изключване (закона на Гаус), ако два вида претендират за един и същ ресурс, единият от тях неизбежно ще измести другия. В крайна сметка във всяка стабилна екосистема би трябвало да остане един супервид, който използва ресурсите по-ефективно от останалите. В действителност обаче това не се случва. Екосистемите са наситени с редки видове, които не изчезват, но и не стават доминиращи.

Ново проучване, проведено от учени от Института за еволюционна биология „Макс Планк“ и публикувано в списание Ecology Letters, предлага решение на тази загадка. Използвайки сложни техники за стохастично моделиране, авторите на статията доказват един противоречащ на интуицията факт: променливостта на околната среда, за която обикновено се смята, че подпомага разнообразието, всъщност има тенденция да го унищожава. За да оцелее една екосистема, тя се нуждае от силни механизми, които да противодействат на хаоса.

Крахът на една интуитивна хипотеза

Дълго време в екологията доминираше хипотезата, че колебанията в условията на околната среда благоприятстват запазването на видовете. Логиката беше, че ако условията постоянно се променят (сухо или влажно; горещо или студено), никой вид не може да задържи предимството си достатъчно дълго, за да измести напълно конкурентите си. Водещата роля постоянно се прехвърля от един вид на друг, което позволява на всички да се задържат на повърхността.

Група изследователи, ръководени от Емил Малмин, провериха тази хипотеза математически и стигнаха до обратното заключение. Те са създали модел, в който скоростта на растеж на всеки вид зависи от случайните колебания в околната среда (т.нар. екологичен шум).

Резултатите от моделирането показват, че в система, управлявана само от случайни колебания, съвместното съществуване е само временно състояние. Дори ако всички видове средно имат еднаква адаптация към средата, случайните колебания неизбежно водят до изчезване. Системата се стреми към състояние, при което един вид завладява всички ресурси, а другите изчезват.

Авторите наричат този процес стохастично изключване. Механизмът му е свързан с уязвимостта на малките популации. Когато даден вид е в изобилие, случайното влошаване на условията само леко намалява популацията му. Но когато видът е рядък, същото случайно колебание може да доведе до намаляване на популацията му до нулата. Тъй като нулата е точката, от която няма връщане назад (видът изчезва), случайните колебания действат като филтър, който методично отстранява редките видове от екосистемата. Установено е, че времето, необходимо за пълната загуба на разнообразието, е логаритмично зависимо от първоначалния брой видове и обратно пропорционално на силата на външния шум. Колкото по-агресивно се променя средата, толкова по-бързо настъпва колапсът.

Феноменът „прилепчивост на рядкостта“

В изследването се анализира в дълбочина проблем, който еколозите наричат „разпространеност на рядкостта“. Във всяка богата общност огромното мнозинство от видове е представено от малък брой индивиди.

Моделът на Малмин обяснява това чрез динамиката на флуктуациите. Когато даден вид губи численост поради неблагоприятно стечение на обстоятелствата, той попада в рисковата зона. Математиката на процеса е такава, че излизането от рядкост и връщането към доминиране е много по-трудно, отколкото да станеш рядък. В научната литература това явление се нарича „прилепчивост“: рядкостта действа като капан.

Без допълнителни стабилизиращи фактори стохастичната динамика води до това, че разпределението на числеността на видовете придобива формата на силов закон. Това означава изключително неравенство: един или два вида контролират почти цялата екосистема, докато дългата опашка от редки видове бързо намалява, докато не изчезне напълно.

Два спасителни механизма: буфериране и стабилизиране

Ако естествената динамика на хаотичната среда води до опростяване и изчезване, какво предпазва сложните екосистеми (като кораловите рифове или тропическите гори) от разпад? Изследователите са идентифицирали и математически описали два критични процеса, които действат като спирачки на стохастичното изключване.

Стабилизизация

Този механизъм се основава на вътрешновидовата конкуренция. В биологията е обичайно, че представителите на един вид се конкурират по-ожесточено помежду си, отколкото с представителите на други видове. Това може да се дължи на факта, че те използват абсолютно идентични ресурси, или на това, че специфични паразити и болести се разпространяват по-бързо в гъстата популация на един вид.

Математически това се изразява чрез параметъра на самоограничаване. Когато популацията на даден вид нараства, темпът ѝ на растеж се забавя непропорционално бързо. Това не позволява на победителя да заеме цялото пространство. Стабилизацията създава своеобразен таван за доминантите, като оставя свободни ресурси за останалите участници в системата.

Буфериране

Този механизъм е свързан с пространствената структура на популациите и имиграцията. В природата общностите рядко са напълно изолирани. Обикновено те представляват мрежа от локализирани обекти, между които се осъществява обмен на индивиди.

Ако даден вид случайно изчезне в едно конкретно място, притокът на нови индивиди от съседните места (имиграция) позволява на популацията да се възстанови. Имиграцията поставя твърда долна граница на числеността: популацията не може да падне до нулата, докато има външен приток. Това превръща временното изчезване в обратим процес.

Универсалният закон за разпределението на видовете

Едно от основните постижения на тази работа е създаването на единна теоретична рамка за описание структурата на екологичните съобщества. В продължение на десетилетия еколозите събират данни за това как се разпределя числеността на видовете в различните екосистеми и конструират графики – разпределения на числеността на видовете.

В зависимост от вида на екосистемата тези графики могат да изглеждат по различен начин. В някои случаи те приличат на плавна камбановидна крива (логнормално разпределение), а в други случаи – на рязък спад (стъпков закон). Досега не съществуваше единен модел, който да обяснява преходите между тези състояния.

Авторите на изследването извеждат обобщено обратно Гаусово разпределение, което описва структурата на общността като функция на два параметъра: стабилизираща сила и буферна сила.

• Зоната на изключване: ако и стабилизацията, и буферирането са слаби, системата е в режим на свободно падане. Графиката на числеността има вид на стъпаловидна функция. Това е сигнал, че екосистемата е нестабилна и губи видове.
• Зоната на стабилизация: ако вътревидовото ограничаване е силно, графиката се трансформира в гама разпределение. Разликата между изобилните и редките видове се свива, съобществото става по-равномерно.
• Буферната и стабилизационната зона: когато действат и двата механизма, разпределението става логнормално. Това състояние е характерно за зрелите, стабилни екосистеми с голямо биоразнообразие.

Така че формата на графиката на числеността на видовете не е просто статистическа характеристика, а показател за процесите, протичащи в системата. Разглеждайки кривината на разпределението, учените вече могат да преценят какъв механизъм предпазва съобществото от колапс – вътрешно самоограничаване на конкурентите или външен приток на мигранти.

Значението за разбиране на природата

Традиционно се смята, че неутралните процеси (случайните раждания и умирания, случайните миграции) са достатъчно обяснение за биоразнообразието. Новият модел показва, че това не е така.

Случайността в среда с ограничени ресурси е разрушителна сила. За поддържането на живота са необходими детерминистични (неслучайни) процеси, които ограничават растежа на силните и поддържат слабите.

Това откритие дава възможност да се прогнозират последиците от човешката намеса в природата с математическа точност.

Да разгледаме примера с фрагментацията на горите. Когато човешката дейност фрагментира една гора на изолирани острови, имиграционният (буферният) механизъм се изключва. Според модела на Малмин, дори ако условията в тези островчета останат идеални, самото спиране на миграционния поток измества системата от стабилен режим към режим на стохастично изключване. Резултатът е ускорено изчезване на редки видове, което не може да бъде спряно чрез просто опазване на района. Без възстановяване на свързаността между местата (т.е. без включване на буферен механизъм) екосистемата е математически обречена на деградация до състояние на монодоминантност.

Новата научна работа показва, че биоразнообразието е динамичен процес на постоянно съпротивление на хаоса. Инструментите за анализ на този процес се намират в пресечната точка на биологията, теорията на вероятностите и физиката на сложните системи.