Ett viktigt genombrott av EPFL-forskare kan leda till upptäckten av en uppsättning allmänna lagar som är tillämpliga på miljövetenskap.

Finns det ett samband mellan en given arts kroppsmassa och dess överflöd, eller mellan storleken på ett ekosystem och dess nivå av biologisk mångfald? Ekologer finner ofta att liknande samband av denna typ finns i olika ekosystem. Dessa relationer kallas skalningslagar, och de har visat sig tillämpas i både marina och terrestra miljöer och på olika typer av organismer (t.ex. mikroorganismer, däggdjur och träd). Men tills nu, ingen tydlig koppling har dragits mellan dessa lagar. Det håller nu på att förändras:i en nyligen genomförd studie, EPFL-forskare bevisade förekomsten av gemensamma makroekologiska mönster som uppvisas av dessa till synes oberoende skalningslagar. Dessa mönster kan till och med leda till upptäckten av en uppsättning allmänna lagar som styr miljövetenskaperna. Studien publicerades nyligen i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).

Forskarna började med att testa sin hypotes på tre uppsättningar empiriska data om tropiska skogar och samhällen av däggdjur och reptiler som lever på öar med liknande klimat. Med hjälp av en datormodell, de replikerade sedan de lagar som de hade observerat på fältet och utvecklade allmänna algebraiska formler som knyter ihop dem alla. "Vårt mål var att rationalisera makroekologiska mönster som observerats i olika ekosystem och placera dem i en enhetlig ram från vilken de alla härrör, " säger Silvia Zaoli. "Med andra ord, vi ville hitta deras gemensamma ursprung." Zaoli är doktorand vid EPFL:s Laboratory of Ecohydrology (ECHO) och studiens huvudförfattare.

Skalningslagar beskriver förhållandet mellan två storheter. Sannolikheten att hitta en organism i ett ekosystem, till exempel, minskar med organismens storlek:det finns fler bakterier än blåvalar i havet. "Skalningslagar definieras av deras exponent, " Fortsätter Zaoli. "De används på flera nivåer, till exempel för att förutsäga hur många arter som kommer att överleva om deras livsmiljöer krymper eller för att modellera fördelningen av arternas kroppsmassa i ett marint samhälle i förhållande till deras miljöfunktioner. De är också användbara för att bestämma den vanligaste kroppsmassan inom ett samhälle, samt den minsta och största. Det teoretiska ramverket som vi upptäckte visar att, även om värdet på varje exponent varierar från ett ekosystem till ett annat, alla exponenter som beskriver ett ekosystem är sammankopplade av universella relationer som gäller alla ekosystem. Till exempel, dessa relationer kopplar samman en ökning av antalet däggdjur, i proportion till storleken på ett ekosystem, till en ökning av överflöd av varje art."

En av de två recensenterna på PNAS tog det mycket ovanliga steget att skicka uppmuntrande feedback. I en kort kommentar, granskaren placerar forskarnas arbete i en bred, historiskt perspektiv. För honom, denna studie har satt miljövetenskaperna på en väg mot att upptäcka en fysikalisk teori som omfattar alla tidigare observerade lagar. Han jämför den med Tycho Brahes katalog över stjärnornas positioner, planeter och kometer – ett 1600-talsverk som utgjorde den empiriska grunden för Johannes Keplers lagar om planetrörelser, vilket i sin tur lade grunden för Isaac Newtons universella gravitationslag. "Det är sant att vi har planerat en kurs i den riktningen, säger Zaoli, "men vi vet att vi har en lång väg att gå."