Att försöka dechiffrera alla faktorer som påverkar beteendet hos komplexa ekologiska samhällen kan vara en skrämmande uppgift. Men MIT-forskare har nu visat att beteendet hos dessa ekosystem kan förutsägas baserat på bara två delar av information:antalet arter i samhället och hur starkt de interagerar med varandra.

I studier av bakterier som odlats i labbet kunde forskarna definiera tre tillstånd av ekologiska samhällen och beräknade de villkor som krävs för att de ska kunna flytta från ett tillstånd till ett annat. Dessa fynd gjorde det möjligt för forskarna att skapa ett "fasdiagram" för ekosystem, liknande de diagram som fysiker använder för att beskriva de förhållanden som styr övergången av vatten från fast till flytande till gas.

"Det som är fantastiskt och underbart med ett fasdiagram är att det sammanfattar en hel del information i en mycket enkel form", säger Jeff Gore, professor i fysik vid MIT. "Vi kan spåra en gräns som förutsäger förlusten av stabilitet och uppkomsten av fluktuationer i en befolkning."

Gore är seniorförfattaren till studien, som idag visas i Science . Jiliang Hu, en doktorand vid MIT, är huvudförfattaren till tidningen. Andra författare inkluderar Daniel Amor, en före detta MIT postdoc; Matthieu Barbier, forskare vid Plant Health Institute vid universitetet i Montpellier, Frankrike; och Guy Bunin, professor i fysik vid Israel Institute of Technology.

Befolkningsdynamik

Dynamiken i naturliga ekosystem är svår att studera för medan forskare kan göra observationer om hur arter interagerar med varandra, kan de vanligtvis inte göra kontrollerade experiment i naturen. Gores labb är specialiserat på att använda mikrober som bakterier och jäst för att analysera interaktioner mellan arter på ett kontrollerat sätt, i hopp om att lära sig mer om hur naturliga ekosystem beter sig.

Under de senaste åren har hans labb visat hur konkurrenskraftigt och samarbetsbeteende påverkar befolkningen, och har identifierat tidiga varningstecken på befolkningskollaps. Under den tiden har hans labb gradvis byggts upp från att studera en eller två arter åt gången till ekosystem i större skala.

När de arbetade fram till att studera större samhällen, blev Gore intresserad av att försöka testa några av de förutsägelser som teoretiska fysiker har gjort om dynamiken i stora, komplexa ekosystem. En av dessa förutsägelser var att ekosystem rör sig genom faser av varierande stabilitet baserat på antalet arter i samhället och graden av interaktion mellan arter. Under detta ramverk spelar inte typen av interaktion - rovdrift, konkurrenskraftig eller kooperativ - ingen roll. Endast styrkan i interaktionen spelar roll.

För att testa den förutsägelsen skapade forskarna samhällen som sträcker sig från två till 48 arter av bakterier. För varje samhälle kontrollerade forskarna antalet arter genom att bilda olika syntetiska samhällen med olika uppsättningar av arter. De kunde också stärka samspelet mellan arter genom att öka mängden tillgänglig mat, vilket gör att populationerna växer sig större och även kan leda till miljöförändringar som ökad försurning.

"För att se fasövergångar i labbet är det verkligen nödvändigt att ha experimentella gemenskaper där du själv kan vrida på rattarna och göra kvantitativa mätningar av vad som händer", säger Gore.

Resultaten av dessa experimentella manipulationer bekräftade att teorierna korrekt hade förutspått vad som skulle hända. Till en början existerade varje samhälle i en fas som kallas "stabil fullständig existens", där alla arter samexisterar utan att störa varandra.

När antingen antalet arter eller interaktioner mellan dem ökades, gick samhällena in i en andra fas, känd som "stabil partiell samexistens". I denna fas förblir populationerna stabila, men vissa arter dog ut. Det övergripande samhället förblev i ett stabilt tillstånd, vilket innebär att populationen återgår till ett tillstånd av jämvikt efter att vissa arter har dött ut.

Slutligen, när antalet arter eller styrkan av interaktioner ökade ytterligare, gick samhällena in i en tredje fas, som innehöll mer dramatiska fluktuationer i befolkningen. Ekosystemen blev instabila, vilket innebär att populationerna ständigt fluktuerar över tiden. Även om vissa utrotningar inträffade, tenderade dessa ekosystem att ha en större total andel överlevande arter.

Förutsäga beteende

Med hjälp av dessa data kunde forskarna rita ett fasdiagram som beskriver hur ekosystem förändras baserat på bara två faktorer:antalet arter och styrkan av interaktioner mellan dem. Detta är analogt med hur fysiker kan beskriva förändringar i vattnets beteende baserat på endast två förhållanden:temperatur och tryck. Detaljerad kunskap om den exakta hastigheten och positionen för varje vattenmolekyl behövs inte.

"While we cannot access all biological mechanisms and parameters in a complex ecosystem, we demonstrate that its diversity and dynamics may be emergent phenomena that can be predicted from just a few aggregate properties of the ecological community:species pool size and statistics of interspecies interactions," Hu says.

The creation of this kind of phase diagram could help ecologists make predictions about what might be happening in natural ecosystems such as forests, even with very little information, because all they need to know is the number of species and how much they interact.

"We can make predictions or statements about what the community is going to do, even in the absence of detailed knowledge of what's going on," Gore says. "We don't even know which species are helping or hurting which other species. These predictions are based purely on the statistical distribution of the interactions within this complex community."

The researchers are now studying how the flow of new species between otherwise isolated populations (similar to island ecosystems) affects the dynamics of those populations. This could help to shed light on how islands are able to maintain species diversity even when extinctions occur. + Utforska vidare

Changes in marine ecosystems are going undetected

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.