Het kan een ontmoedigende taak zijn om alle factoren te ontcijferen die het gedrag van complexe ecologische gemeenschappen beïnvloeden. MIT-onderzoekers hebben nu echter aangetoond dat het gedrag van deze ecosystemen kan worden voorspeld op basis van slechts twee stukjes informatie:het aantal soorten in de gemeenschap en hoe sterk ze met elkaar omgaan.

In studies van bacteriën die in het laboratorium werden gekweekt, konden de onderzoekers drie staten van ecologische gemeenschappen definiëren en de voorwaarden berekenen die nodig waren om van de ene staat naar de andere te gaan. Dankzij deze bevindingen konden de onderzoekers een "fasediagram" voor ecosystemen maken, vergelijkbaar met de diagrammen die natuurkundigen gebruiken om de omstandigheden te beschrijven die de overgang van water van vast naar vloeibaar naar gas regelen.

"Het verbazingwekkende en wonderbaarlijke aan een fasediagram is dat het veel informatie in een heel eenvoudige vorm samenvat", zegt Jeff Gore, een professor in de natuurkunde aan het MIT. "We kunnen een grens bepalen die het verlies aan stabiliteit en het begin van schommelingen van een populatie voorspelt."

Gore is de hoofdauteur van de studie, die vandaag verschijnt in Science . Jiliang Hu, een afgestudeerde MIT-student, is de hoofdauteur van het artikel. Andere auteurs zijn onder meer Daniel Amor, een voormalig MIT-postdoc; Matthieu Barbier, een onderzoeker aan het Plant Health Institute aan de Universiteit van Montpellier, Frankrijk; en Guy Bunin, een professor in de natuurkunde aan het Israel Institute of Technology.

Bevolkingsdynamiek

De dynamiek van natuurlijke ecosystemen is moeilijk te bestuderen, want hoewel wetenschappers observaties kunnen doen over hoe soorten met elkaar omgaan, kunnen ze meestal geen gecontroleerde experimenten in het wild doen. Gore's lab is gespecialiseerd in het gebruik van microben zoals bacteriën en gisten om interacties tussen soorten op een gecontroleerde manier te analyseren, in de hoop meer te leren over hoe natuurlijke ecosystemen zich gedragen.

In de afgelopen jaren heeft zijn laboratorium aangetoond hoe competitief en coöperatief gedrag populaties beïnvloedt, en heeft het vroege waarschuwingssignalen geïdentificeerd voor de ineenstorting van de populatie. In die tijd is zijn lab geleidelijk opgebouwd van het bestuderen van een of twee soorten tegelijk tot ecosystemen op grotere schaal.

Terwijl ze zich bezighielden met het bestuderen van grotere gemeenschappen, raakte Gore geïnteresseerd in het testen van enkele van de voorspellingen die theoretische natuurkundigen hebben gedaan met betrekking tot de dynamiek van grote, complexe ecosystemen. Een van die voorspellingen was dat ecosystemen door fasen van variërende stabiliteit bewegen op basis van het aantal soorten in de gemeenschap en de mate van interactie tussen soorten. In dit kader doet het type interactie - roofzuchtig, competitief of coöperatief - er niet toe. Alleen de kracht van de interactie is van belang.

Om die voorspelling te testen, creëerden de onderzoekers gemeenschappen variërend van twee tot 48 soorten bacteriën. Voor elke gemeenschap controleerden de onderzoekers het aantal soorten door verschillende synthetische gemeenschappen te vormen met verschillende soorten soorten. Ze waren ook in staat om de interacties tussen soorten te versterken door de beschikbare hoeveelheid voedsel te vergroten, waardoor populaties groter worden en ook kan leiden tot veranderingen in het milieu, zoals verhoogde verzuring.

"Om faseovergangen in het lab te zien, is het echt nodig om experimentele gemeenschappen te hebben waar je zelf aan de knoppen kunt draaien en kwantitatieve metingen kunt doen van wat er gebeurt", zegt Gore.

De resultaten van deze experimentele manipulaties bevestigden dat de theorieën correct hadden voorspeld wat er zou gebeuren. Aanvankelijk bestond elke gemeenschap in een fase die 'stabiel volledig bestaan' wordt genoemd, waarin alle soorten naast elkaar bestaan ​​zonder zich met elkaar te bemoeien.

Naarmate het aantal soorten of de interactie tussen hen toenam, gingen de gemeenschappen een tweede fase in, die bekend staat als 'stabiele gedeeltelijke coëxistentie'. In deze fase blijven populaties stabiel, maar sommige soorten zijn uitgestorven. De algehele gemeenschap bleef stabiel, wat betekent dat de populatie terugkeert naar een staat van evenwicht nadat sommige soorten zijn uitgestorven.

Ten slotte, toen het aantal soorten of de sterkte van interacties nog verder toenam, gingen de gemeenschappen een derde fase in, met meer dramatische schommelingen in de populatie. De ecosystemen werden instabiel, waardoor de populaties in de loop van de tijd voortdurend fluctueren. Hoewel er enkele uitstervingen plaatsvonden, hadden deze ecosystemen de neiging om een ​​grotere totale fractie van overlevende soorten te hebben.

Gedrag voorspellen

Met behulp van deze gegevens konden de onderzoekers een fasediagram tekenen dat beschrijft hoe ecosystemen veranderen op basis van slechts twee factoren:het aantal soorten en de sterkte van de interacties daartussen. Dit is analoog aan hoe natuurkundigen veranderingen in het gedrag van water kunnen beschrijven op basis van slechts twee voorwaarden:temperatuur en druk. Gedetailleerde kennis van de exacte snelheid en positie van elke watermolecuul is niet nodig.

"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. + Verder verkennen

Changes in marine ecosystems are going undetected

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.