Ekologit kamppailevat saadakseen otteen "keystone-lajeista" | Quanta-lehti

Anne Salomonin ensimmäinen viikko jatko-opiskelijana vuonna 2001 ei ollut sitä mitä hän oli odottanut. Samaan aikaan kun muut uudet opiskelijat suuntasivat johdantoluennoille, Salomon vietiin pakettiautolla ja sitten moottoriveneellä Tatoosh Islandille, joka sijaitsee aivan Washingtonin olympianiemimaan luoteiskärjen edustalla. Tämän syrjäisen saaren vuorovesialtaiden joukossa Salomon kurkisti elämän verkkoa kallioilla: okranmeren tähtiä, näppylöitä, simpukoita, etanoita ja erilaisia ​​leviä, jotka muodostivat salaattia, sammalta ja kuplamuovia.

Vierailu tähän aaltojen lyömään paljastumaan oli Bob Painen laboratoriotyöntekijöiden kulkurituaali. Vuosikymmeniä aiemmin sorkkaraualla aseistettu Paine oli ensin pukeutunut purppuraan Pisaster meritähti – ekosysteemin suurin petoeläin – läheisen Makah Bayn vuorovesialtaista ja heitti ne mereen, jotta hän voisi oppia, mitkä voimat organisoivat kiveen takertuvien olentojen yhteisön. Tulokset vaikuttaisivat syvästi ekologiaan, luonnonsuojeluun ja yleisön käsitykseen luonnosta. Kolmen vuoden ilman meritähtiä altaissa alun perin esiintyneiden 15 lajin määrä väheni kahdeksaan. Kymmenen vuoden kuluttua simpukoiden monokulttuuri hallitsi rantaa.

- Painen kokeen tulokset, julkaistu Amerikkalainen luonnontieteilijä vuonna 1966, osoitti, että yhdellä lajilla voi olla suuri vaikutus ekologiseen yhteisöön. Kun Paine jakoi havaintonsa paleoekologin ja luonnonsuojelijan kanssa Estella Leopold, hän ehdotti, että voimakas konsepti ansaitsisi mieleenpainuvan nimen. Myöhemmässä paperissa hän nimesi Pisaster meritähti on "avainkivilaji", joka viittaa arkkitehtoniseen kulmakiveen: kaaren huipulla olevaan kiilan muotoiseen kiviin, joka, kun se on asetettu paikalleen, estää rakennetta romahtamasta. "Bobilla oli melko runollinen, kerronnallinen mieli", sanoi Mary Power, emeritusprofessori Kalifornian yliopistossa Berkeleyssä, joka opiskeli Painen johdolla. (Paine kuoli vuonna 2016.)

Salomon, Power ja muut Painen opiskelijat omistivat jatkotyönsä keystone-konseptin jalostamiselle ja lajin ekologisen "keystone-olemuksen" määrittämiselle matemaattisesti. Mutta kuin meritähti, joka hohtaa kiviä, metafora otti valtaansa tieteellisessä ja julkisessa mielikuvituksessa. Monet ekologit ja luonnonsuojelijat menettivät näkyvistä Painen termille antaman alkuperäisen merkityksen ja alkoivat leimata jokaista näennäisesti tärkeää lajia kulmakiviksi. Itse asiassa viime vuonna julkaistussa analyysissä havaittiin, että yli 200 lajia on merkitty kulmakiviksi. Merkin käyttö on tullut niin laajaksi, että jotkut ekologit pelkäävät sen menettäneen merkityksensä.

Ekologit työskentelevät nykyään tarkentaakseen, mitä "avainlajit" tarkoittaa, ja puolustaakseen vaativampaa sovellusta. He väittävät, että kun avainlajit tunnistetaan tiukemmin, päättäjät voivat paremmin tunnistaa ja suojella lajeja, joilla on suhteettomia vaikutuksia ekosysteemeihin. Ja uudet sovellukset mikrobilääketieteessä voisivat auttaa biologeja määrittämään tarkemmin kulmakivilajin vaikutuksen, mikä voisi hyödyttää paitsi ekosysteemejä myös ihmisten terveyttä.

Lajien välttämättömyys

Vuosikymmeninä ennen kuin Paine suoritti nyt kuuluisan kokeilunsa, ekologit olivat yhtyneet teoriaan, jonka mukaan saman elinympäristön jakavat lajit liittyivät pyramidiverkkoon siitä, kuka syö kenet. Huipulla olivat harvinaiset petoeläimet, jotka söivät pieniä petoeläimiä tai kasvinsyöjiä, jotka itse kuluttivat runsaasti "tuottajia", kuten kasveja tai leviä, joita ravittiin suoraan auringonvalosta ja fotosynteesistä. Ekologit ajattelivat, että verkon vakautta hallitsi alhaalta ylöspäin tuottajien saatavuus.

Mutta 1960-luvulla ajattelu oli muuttumassa. Voivatko saalistajat myös vaikuttaa voimakkaasti yhteisöihin? Ehkä kasvillisuus hallitsi ekosysteemejä ei siksi, että tuottajat olisivat rajoittaneet muita lajeja, vaan siksi, että saalistajat estivät kasvinsyöjiä laiduntamasta liikaa. Painen kokeilu oli yksi ensimmäisistä, jotka osoittivat vakuuttavasti tällaisen ylhäältä alas ohjauksen reaaliajassa.

Sitten ekologi James Estes dokumentoi, kuinka merisaukot Kalifornian avomeren rakkolevämetsissä näyttelivät keskeistä roolia, joka muistuttaa meritähtiä Painen vuorovesialtaissa. Vuonna 1974 julkaistussa artikkelissa tiede, hän kuvaili, kuinka merisaukko, yksi saalistuslaji, rakensi monimuotoisuutta rakkolevämetsäyhteisöstä. Merisaukot pitivät kasvinsyöjämerisiilit kurissa; ilman petoeläimiä siilit laidunsivat liikaa ja pyyhkäisivät pois koko rakkoleväriippuvaisen lajin.

Nämä tutkimukset ja peruskivi-idea nousivat esiin samalla hetkellä, kun Amerikan ympäristötietoisuus nousi esiin. Vuonna 1973 kongressi hyväksyi uhanalaisten lajien lain, joka otti lajikeskeinen lähestymistapa villieläinten suojelemiseen. Ajatus siitä, että yksittäisen lajin kannan palauttaminen – ehkäpä kulmakivi – voisi varmistaa ekologisen yhteisön biologisen monimuotoisuuden, joka on sopusoinnussa tämän uuden lainsäädännön kanssa.

Tämän seurauksena Keystone-lajikonsepti alkoi elää omaa elämäänsä. Tiedemiehet ja luonnonsuojelijat käyttivät termiä yhä useammin kaikkiin tärkeiksi pidettyihin lajeihin, mikä luonnehtii Painen alkuperäistä ideaa väärin. Huippupetoeläimet, kuten sudet ja hait, joiden poissaololla oli rajuja tihkumisvaikutuksia, olivat todistetusti kulmakiviä. Samoin olivat elinympäristöjä muuttaneet ekosysteemiinsinöörit, kuten majavat, tikkat, biisonit ja preeriakoirat. Mutta ennen pitkää siellä oli myös tieteellisiä viittauksia Keystone-kasvinsyöjiin, Keystone-kasveihin, Keystone-pölyttäjiin ja jopa Keystone-patogeeneihin. Tärkeiksi pidetyt lajiryhmät nimettiin "keystone-kiltaiksi".

Kun termin valtavirran suosio nousi, ekologit työskentelivät hiljaa matemaattisen määritelmän parissa ekologisen verkoston lajisolmujen välisistä suhteista. Tatoosh Islandilla Painen oppilaat jatkoivat vuorovesialtaiden tutkimista ja lisäsivät tai poistaivat lajeja nähdäkseen, mitkä niistä olivat yhteisön kannalta tärkeimpiä. Huolellisesti useiden vuosien ajan mittaamalla he määrittelivät kunkin laiduntajan suhteellisen kapasiteetin vaikuttaa rakkolevän kykyyn juurtua – Paine-mittausta, jota kutsuttiin "vuorovaikutusvoimaksi asukasta kohden", ja joka myöhemmin tunnettiin nimellä "keystone-ness". Jos organismilla oli korkea Keystone-kyky, jokaisella yksilöllä oli suhteettoman suuri vaikutus sen ekosysteemiin.

Useimmat ihmiset eivät kuitenkaan seuranneet tätä uutta ekologista matematiikkaa. 1990-luvulle mennessä jotkut ekologit olivat huolestuneita siitä, että "avainkivilajien" liikakäyttö muutti ja heikensi käsitteen merkitystä. Oli aika purkaa se esiin. Joulukuussa 1994 Hilossa, Havaijilla, pidettiin pieni ekologien konferenssi, joista jotkut pitivät itseään "keystone-poliiseiksi", jotta saatiin aikaan yksimielinen määritelmä. Painen ja Powerin matematiikan perusteella he olivat yhtä mieltä siitä, että "avainkivilaji on laji, jonka vaikutukset yhteisöönsä tai ekosysteemiinsä ovat suuret ja paljon suuremmat kuin sen runsaudesta voisi odottaa."

Tämän määritelmän mukaan lohi ei ole kulmakivilaji, vaikka se on ekologisesti tärkeä. "Jos otat yhden yksittäisen lohen ulos joesta, sillä ei ole suurta vaikutusta", Salomon sanoi. Sitä vastoin, jos otat yhden meritähden vuorovesivyöhykkeen palasta, "sillä on suuri vaikutus".

Hilon vuosikongressi oli arvokas yritys. Mutta se ei estänyt tutkijoita nimeämästä uusia kulmakiviä seuraavina vuosikymmeninä. "Ongelmana on, että ei ole olemassa standardeja, joita tutkijoiden pitäisi noudattaa määrittäessään tutkimusorganismiaan kulmakiveksi", sanoi. Bruce Menge, yhteisöekologi Oregon State Universityssä ja toinen entinen Painen jatko-opiskelija. "Kuka tahansa voi vapaasti ehdottaa, väittää tai spekuloida, että heidän lajinsa on avainkivi." Ja todellakin, uusi analyysi äskettäin paljasti, kuinka pitkälle käsite on venynyt.

Olemme täällä kaikki Keystones

Vuonna 2021 Ishana Shukla oli jatko-opiskelija Victorian yliopistossa ja halusi analysoida kulmakivilajien piirteitä. "Ajattelin varsin naiivisti, että voisit vain googlettaa luettelon Keystone-lajeista, ja siitä tulisi ihana luettelo", hän sanoi. Kun hän ei löytänyt sellaista, hän ajatteli luovansa oman. Hän louhi yli 50 vuoden ajalta julkaistua tietoa, joka sisälsi 157 tutkimusta, ja tunnisti 230 lajia, joita pidettiin kulmakivinä. Hän näki, että kun ekologinen tietämys kehittyi, "avainkiven tehtävä alkoi laajentua yhä laajemmalle".

Hän ja hänen kirjoittajansa käyttävät analyyttistä tekniikkaa, joka järjestää kohteet toisiinsa liittyviin klustereihin löysi viisi tyyppistä Keystone-lajia: suuret selkärankaiset lihansyöjät, kuten hait ja sudet; selkärangattomat munchers kuten pitkäkärkinen merisiili ja kaaliperhonen; keskimmäiset lajit, jotka ovat sekä saalistavia että saalistavia, kuten lahna ja härkäkalat; selkärangattomat, jotka suorittavat elintärkeitä rooleja ravintoverkostoissa, kuten pohjoiset katkaravut ja mehiläiset; ja pienet nisäkkäät, jotka muokkaavat elinympäristöjä, kuten jäärotta ja mustahäntäpreeriakoira.

"Olemme tunnistaneet kokonaisen joukon kulmakiviä, jotka eivät välttämättä saa suojelutoimia tai suojeluhuomiota, mutta voimme nähdä, että ne ovat valtavan tärkeitä ekosysteemillemme", sanoi shukla, nyt tohtoriopiskelija Kalifornian yliopistossa Davisissa.

"Tämän paperin tärkein viesti oli, että Keystone-lajit eivät ole samanlaisia", sanoi Diane Srivastava, Brittiläisen Kolumbian yliopiston yhteisöekologi, joka työskennellessään Costa Ricassa tunnisti emäkärpäsen toukkia kulmakivilajiksi vedessä, joka oli kerääntynyt bromelian lehtiin. "Yleinen käsitys kulmakivilajeista on, että ne ovat suuria maan nisäkkäitä, mutta itse asiassa useimmat eivät ole. Useimmat Keystone-lajit ovat vedessä eläviä. Monet heistä eivät ole saalistajia. Selkärangattomia on hyvä määrä."

Paperi ei kuitenkaan yrittänyt arvioida, olivatko nämä lajit todellisia matemaattisia kulmakiviä vai eivät. Sen sijaan Menge sanoi, että Shukla ja hänen työtoverinsa vain tiivistivät, kuinka termiä on käytetty ja käytetty väärin. Tällä tavalla tutkimuksessa korostettiin monimutkaisen sijaan "termin "avainkivilajit" jatkuvaa liberaalia käyttöä viittaamaan mihin tahansa vahvaan vuorovaikutukseen, jolla on välillisiä seurauksia", hän sanoi.

Mikään Shuklan luokista ei sisältänyt mikrobeja. Todellakin, Paine ja muut eivät ajatellut mikro-organismeja ollenkaan kokeissaan. Silti Keystone-olemuksen kvantifioinnista on tullut uudenlaisen lääketieteellisen mikrobiologian tutkimuslinjan aihe.

Keystone in your Gut

Mikrobiomit sisältävät satoja tai tuhansia mikrobilajeja, jotka ovat vuorovaikutuksessa monimutkaisessa ekosysteemissä. Joten miksi heillä ei voisi olla myös Keystone-lajeja?

"Oletettavasti, jos on olemassa Keystone-laji, järjestelmä saattaa olla melko hauras", sanoi Yang-Yu Liu, joka opiskelee mikrobiomia Brigham and Women's Hospitalissa ja Harvard Medical Schoolissa. Jos esimerkiksi antibiootit tuhosivat suoliston peruskivimikrobin, mikrobiekosysteemi saattaa romahtaa ja aiheuttaa terveysongelmia. "Siksi olen kiinnostunut tunnistamaan avainkivilajeja mikrobiyhteisöistä", hän sanoi.

Ei ole teknisesti tai eettisesti mahdollista poistaa lajeja ihmisen mikrobiomeista yksitellen samalla tavalla kuin meritähtiä voitaisiin repiä kivistä. Sen sijaan Liu ja hänen kollegansa kääntyi tekoälyn puoleen marraskuussa julkaistussa artikkelissa Nature Ecology & Evolution. Suoliston, suun, maaperän ja korallin mikrobiomitietokannoista saatujen tietojen avulla he kouluttivat syväoppimismallin lajien tärkeysjärjestykseen mikrobiyhteisöissä tarkastelemalla, mitä yhteisölle tapahtui sen jälkeen, kun kukin laji oli poistettu mallimikrobiomistaan. - kunkin mikrobin ominaisuudet.

Liun analyysissä "emme löytäneet yhtään lajia, jolla olisi erittäin suuri kulmakivi", hän sanoi. Suurin laskettu arvo oli noin 0.2. "1 ei todellakaan ole iso luku", koska heidän määritelmänsä trapetsivääristymisestä vaihtelee nollan ja 0.2:n välillä.

Se ei tarkoita, etteikö mikrobiyhteisöissä olisi peruskiviä. Liu uskoo, että näillä yhteisöillä on erittäin korkea toiminnallinen redundanssi - mikä tarkoittaa, että useita lajeja voivat suorittaa samanlaisia ​​ekologisia rooleja ja siksi ne voivat olla keskenään vaihdettavissa. Ja joillakin lajeilla voi olla korkea Keystone-kyky ei absoluuttisessa merkityksessä, vaan suhteessa tietyn henkilön mikrobiomiin, joka on erittäin henkilökohtainen. "Nämä lajit ovat varsin tärkeitä siinä mielessä, että jos ne poistetaan, järjestelmä saattaa muuttua paljon", Liu sanoi.

Siinä mielessä mikrobiyhteisöissä Keystone-lajin käsite on kontekstista riippuvainen. Keystone yhdessä mikrobiomissa ei välttämättä ole Keystone toisessa. "Minusta tuntuu, että ekologit eivät ole arvostaneet tätä näkökohtaa", Liu sanoi.

Ekologit kamppailevat nyt tämän mikrobien ulkopuolisten kulmakivilajien kontekstuaalisen luonteen kanssa ja pohtivat, onko käsitteellä merkitystä biologisen monimuotoisuuden vähenemisen todellisuudessa ja miten.

Metaforan uudelleenarviointi

Menge on omistanut uransa ekologisen yhteisön rakenteen ymmärtämiselle, ja hän on jatkanut Painen jatko-opiskelutyöstään kivisten rantojen painottamista. Hän on havainnut, että Painen ikoninen violetti tähti ei ole kulmakivilaji kaikkialla. Sillä on paikoin voimakkaampi Keystone-us, esimerkiksi aaltojen voimakkaammin lyömissä vuorovesialtaissa. "Itse asiassa suojaisemmissa paikoissa meritähti ei todellakaan ole juurikaan peruskivi", hän sanoi.

Paine myös hyväksyi tämän. Alaskassa, jossa eteläisempien purppuraisten tähtien suosima simpukka puuttuu, petoeläin on "vain yksi meritähti", Power muisteli Paine sanoneen.

Menge sanoi, että se tosiasia, että Keystone-lajit ovat kontekstista riippuvaisia ​​ja että ne vaihtelevat tilassa ja ajassa, "huomautetaan lyhytaikaisissa tutkimuksissa".

Silti Srivastava ei ole valmis hylkäämään konseptia. Vaikka keskittyminen kulmakiviin ja yksittäisiin lajeihin on saattanut saada päätöksentekijät ja luonnonsuojelijat huomioimaan kokonaisvaltaisempia lähestymistapoja suojeluun, yhden lajin suojeleminen ja ennallistaminen voi joskus hyödyttää monia muita ekosysteemin lajeja. "Se ei tarkoita, että kiirehdimme pelastamaan Keystone-lajeja ja jättäisimme huomioimatta järjestelmän monimuotoisuuden kokonaisuutena", hän sanoi.

Srivastava korosti myös, että Keystones eivät ole ainoa tapa stabiloida järjestelmiä. "Ekologit ajattelevat nyt, että jotkin vakauden kannalta tärkeimmistä vuorovaikutuksista ovat itse asiassa suhteellisen heikkoja vuorovaikutuksia", hän sanoi. ”Jos sinulla on suuri määrä lajeja, jotka ovat heikosti vuorovaikutuksessa, se on vähän kuin paljon telttakiipeitä sitoisi telttasi myrskyssä. Se hälventää osan häiriöistä."

Menge on pitkälti samaa mieltä. Hän sanoi, että maailmanlaajuisen lajihäviön keskellä tulisi keskittyä elinympäristöjen ja biologisen monimuotoisuuden suojeluun, ei yksittäisiin lajeihin. "Jos nämä kaksi asiaa tehtiin riittävän monessa paikassa, en ole varma, onko Keystone-laji-idea niin kriittinen."

Ehkä yksi kulmakivi on tärkeämpi kuin muut. Yhdessä Painen viimeisistä papereista, joka julkaistiin vuonna 2016 hänen kuolemansa päivänä, hän ja ekologi Boris Worms ehdotti, että ihmiset ovat "hyperkeystone-lajit” – sellainen, jolla on syvällisiä vaikutuksia hyödyntämällä muita Keystones.

Ihmisiä ei voida poistaa järjestelmästä kuten meritähtiä vaikutustemme kvantifioimiseksi. Mutta voimme oppia vähentämään kulmakiviä tehokkaan suojelukäytännön ja -politiikan avulla, Salomon sanoi. "Meillä on myös kyky oppia hallitsemaan itseämme."

Tämä on yksi syy, miksi ekologit määrittelevät edelleen ja harkitsevat uudelleen avainkivilajeja. Voimakas symboli ei katoa mihinkään, mutta parannetun määritelmän avulla ihmiset voisivat oppia käyttämään sitä paremmin.

Paine tiesi tämän. Salomon jakaa mielellään sanojaan opiskelijoilleen: ”Tietämättömyydestä ei selviä. Sinun on tiedettävä, mitä lajit tekevät, ketä he syövät, mikä rooli näillä saalislajilla on. Kun tiedät sen, voit tehdä älykkäitä päätöksiä."