Биоразнообразието, видовете тъкат мрежите си за наука
Видовете зависят един от друг за оцеляване и по този начин образуват сложни системи. Мрежите от видове, при които някои са свързани с много други, са по-устойчиви на промяна.
Додото изчезва от Мавриций около 1680 г. В същото време тамбалакокът, ендемичен за острова дървесен вид, спира да се възпроизвежда. През 1980 г. имаше само 13 оцелели на 300 години. Американският биолог Стенли Темпъл предположи, че семената на тамбалакок трябва да преминат през храносмилателната система на додото, за да покълнат.
Природни телевизионни изображения/Франция 5
Броят на животинските и растителни видове, съществуващи на планетата, е огромен: между 5 и 50 милиона според оценките (без да се броят бактериите), което представлява само малка част (от порядъка на 0,01 процента) от тези, които са населили Земята по едно или друго време в нейната история. Според оценка, извършена по време на Конвенцията от Рио през 1992 г., 4500 животински вида и 25 000 растителни вида ще бъдат застрашени от изчезване през следващите години. В момента те изчезват със скорост от 1000 до 10 000 на милион съществуващи видове на всеки десет години.
В този опис видовете се появяват като независими образувания, изчезването на един от тях ни лишава от неговите характеристики: стойност на наследството, научен интерес и т.н. Съжаляваме за изчезването на такова растение заради неговите лечебни свойства или на птица като додото, която ни накара да мечтаем. Въпреки това, видовете почти винаги са свързани помежду си (хищничество, мутуализъм, конкуренция и т.н.): по този начин те образуват сдружения или общности, чиято структура (организация) варира в зависимост от миграциите, еволюцията или изчезването на видовете. Тази структура е от съществено значение. Първо, защото позволява (или не) въвеждането на нови видове. По този начин на тихоокеанското крайбрежие на Съединените щати много морски черупки се надпреварват да се прикрепят към скалите; те съжителстват в присъствието на своя хищник, морска звезда, но при негово отсъствие мидите, предпочитаните видове морски звезди, колонизират цялата повърхност. Следователно създаването на нов вид не зависи само от собствените му характеристики (висока раждаемост, добра фиксация върху скалата и т.н.), но и от структурата на общността, в която той пристига (вж. Фигура 1).
Структурата на общността влияе и върху общите свойства на екосистемата (дефинирана като цяло, образувано от общност, нейната физическа среда и взаимоотношенията, които ги обединяват). Дейвид Тилман, Университет на Минесота, САЩ, обработва парцели, съдържащи или множество видове прерийни растения, или само един, и сравнява количеството трева, произведено от всеки парцел. Повечето видове са по-продуктивни, когато се смесват с други, вероятно благодарение на допълнителни функции или взаимодействия (фиксиране на азот от коренови възли, наличие на симбиотични гъби и др.).
По този начин дори перфектното познаване на всеки вид, разглеждан изолирано, не дава възможност да се предскаже поведението на общността, чиито свойства не се ограничават до сумата от отделните свойства на видовете, които ги съставят. Следователно упадъкът на биологичното разнообразие придобива допълнително измерение. Вече не става въпрос само за запазване на обикновена колекция от видове, а за отчитане в стратегиите за управление на биологичното разнообразие на връзките между видовете и структурата на общностите.
Изследването на биологичното разнообразие изисква да разберем как видовете се появяват, сглобяват, поддържат или, напротив, изчезват в своите екосистеми. За да изпълним тази херкулесова задача, теорията на сложността ни предлага инструменти за изучаване на глобалните свойства на такива системи, извън индивидуалния принос на техните компоненти. Ще илюстрираме с няколко примера как тази теория дава възможност да се изследват определени непредсказуеми свойства на общностите, като тяхната стабилност (т.е. липсата на изчезване или демографска експлозия на видовете, които ги съставят след нарушение).
Можем да моделираме биологичен обект под формата на система, тоест на набор от елементи, свързани по функционален начин. Динамиката на тези елементи зависи по-специално от потоците (на материя, енергия, информация и т.н.), които те обменят. От тази гледна точка една общност може да бъде представена като мрежа (известна като трофична), чиито видове са свързани чрез връзки хищник-плячка. Динамиката на всеки вид зависи от материята (или енергията), която консумира (плячката си) и какво губи (когато членовете му умират). Когато загубите компенсират печалбите, работната сила не се променя и населението е в равновесие.
Случайни модели
Нека първо направим предположението, че видовете са свързани случайно (ще се върнем към това предположение). След това сложността на такава общност се характеризира с два параметъра: броят на елементите (видовете), които я съставят, и тяхната средна свързаност, тоест средният брой връзки, водещи до даден елемент. Благодарение на модели, базирани на произволни графики (графики, чиито точки са свързани на случаен принцип), математиците се питат дали има връзка между така дефинираната сложност и стабилността на такива мрежи в случай на смущения.
През 1972 г. Робърт Мей от университета в Оксфорд, Великобритания, установява, че в случайно свързана система с увеличаване на сложността (т.е. броят на индивидите или средната свързаност се увеличава) системата изведнъж преминава от стабилно състояние в нестабилно състояние: с други думи, колкото по-сложна е системата, толкова по-вероятно е тя да бъде нестабилна. Този резултат дава възможност да се определи домейн на стабилност според тези два параметъра: когато единият или другият е слаб (или и двата), общността е стабилна (виж фигура 2). Напротив, когато едното или другото стане високо, общността е „крехка“ и по-чувствителна към смущения.
Този теоретичен резултат предоставя критерий за откриване на общности, където рискът от изчезване или експлозия на населението е висок. Това обаче беше противоречиво, тъй като противоречеше на общоприетата идея, че сложността осигурява излишък между видовете и по този начин намалява ефекта от смущения. Той също така контрастира с наблюдението на относително прости и бедни на видове системи, като култивирани полета, които, когато са нападнати от вредители или микроорганизми, се провалят по-често от сложни системи, като тропическите гори. Ще видим, че по-нататъшните изследвания за сложността премахват това очевидно противоречие.