Các nhà sinh thái học đấu tranh để nắm bắt được 'Loài chủ chốt' | Tạp chí Quanta

Tuần đầu tiên làm nghiên cứu sinh của Anne Salomon vào năm 2001 không như cô mong đợi. Trong khi các sinh viên mới khác bắt đầu tham gia các bài giảng cơ bản, Salomon được đưa đi bằng xe tải và sau đó là thuyền máy đến Đảo Tatoosh, nằm ngay ngoài khơi mũi phía tây bắc của Bán đảo Olympic của Washington. Giữa các hồ thủy triều của hòn đảo biệt lập này, Salomon nhìn chăm chú vào mạng lưới sự sống trên các tảng đá: sao biển màu vàng son, hà, trai, ốc sên và các loại tảo có hình dạng gợi nhớ đến rau diếp, rêu và màng bọc bong bóng.

Chuyến viếng thăm mỏm đá nổi sóng dữ dội này là một nghi thức thông hành dành cho các cộng sự trong phòng thí nghiệm của Bob Paine. Nhiều thập kỷ trước, Paine, được trang bị xà beng, lần đầu tiên cạy màu tím Pisaster sao biển - loài săn mồi hàng đầu của hệ sinh thái - từ các hồ thủy triều ở Vịnh Makah gần đó và ném chúng xuống biển để anh có thể tìm hiểu xem lực lượng nào đã tổ chức nên cộng đồng sinh vật bám vào đá. Kết quả sẽ ảnh hưởng sâu sắc đến hệ sinh thái, bảo tồn và nhận thức của công chúng về thiên nhiên. Sau ba năm không có sao biển, 15 loài ban đầu hiện diện trong hồ đã giảm xuống còn 10. Sau XNUMX năm, nền độc canh vẹm thống trị vùng ven biển.

Sản phẩm kết quả thí nghiệm của Paine, xuất bản năm Nhà tự nhiên học người Mỹ vào năm 1966, cho thấy rằng một loài duy nhất có thể có ảnh hưởng to lớn đến cộng đồng sinh thái. Khi Paine chia sẻ những phát hiện của mình với nhà cổ sinh thái học và nhà bảo tồn Estella Leopold, cô ấy cho rằng một khái niệm mạnh mẽ xứng đáng có một cái tên giàu sức gợi. Trong một bài báo tiếp theo, ông đã chỉ định Pisaster sao biển là một “loài đá chủ chốt”, đề cập đến một loại đá đỉnh vòm kiến ​​trúc: viên đá hình nêm trên đỉnh một mái vòm mà một khi được lắp vào sẽ giúp cấu trúc không bị sụp đổ. “Bob có đầu óc kể chuyện khá thơ mộng,” nói Mary sức mạnh, giáo sư danh dự tại Đại học California, Berkeley, người đã theo học Paine. (Paine qua đời vào năm 2016.)

Salomon, Power và các sinh viên Paine khác đã cống hiến công việc tốt nghiệp của mình để hoàn thiện khái niệm nền tảng và xác định “nền tảng” sinh thái của một loài về mặt toán học. Nhưng giống như con sao biển đậu trên đá, phép ẩn dụ này đã có chỗ đứng trong trí tưởng tượng của giới khoa học và công chúng. Nhiều nhà sinh thái học và nhà bảo tồn đã đánh mất tầm quan trọng ban đầu mà Paine đã gán cho thuật ngữ này và bắt đầu coi dường như mọi loài quan trọng đều là đá chủ chốt. Thật vậy, một phân tích được công bố năm ngoái cho thấy hơn 200 loài đã được đánh dấu là đá chủ chốt. Việc sử dụng nhãn hiệu này đã trở nên rộng rãi đến mức một số nhà sinh thái học lo ngại rằng nó đã mất hết ý nghĩa.

Các nhà sinh thái học ngày nay đang nỗ lực tìm hiểu ý nghĩa của “loài chủ chốt” và ủng hộ việc áp dụng sáng suốt hơn. Họ lập luận rằng với việc xác định chặt chẽ hơn các loài chủ chốt, các nhà hoạch định chính sách có thể xác định và bảo vệ tốt hơn các loài có tác động không cân xứng đến hệ sinh thái. Và các ứng dụng mới trong y học vi sinh có thể giúp các nhà sinh học định lượng chính xác hơn ảnh hưởng của một loài chủ chốt, điều này có thể mang lại lợi ích không chỉ cho hệ sinh thái mà còn cho sức khỏe con người.

Tính thiết yếu của loài

Trong những thập kỷ trước khi Paine tiến hành thí nghiệm nổi tiếng hiện nay của mình, các nhà sinh thái học đã thống nhất lý thuyết rằng các loài có chung môi trường sống được kết nối trong một mạng lưới hình chóp gồm những loài ăn thịt loài nào. Đứng đầu là những loài săn mồi quý hiếm, chúng ăn những loài săn mồi nhỏ hoặc động vật ăn cỏ, chúng tiêu thụ những “sinh vật sản xuất” dồi dào như thực vật hoặc tảo, được nuôi dưỡng trực tiếp bằng ánh sáng mặt trời và quá trình quang hợp. Các nhà sinh thái học cho rằng sự ổn định của mạng lưới được kiểm soát từ đầu bởi sự sẵn có của các nhà sản xuất.

Nhưng đến những năm 1960, suy nghĩ đó đã thay đổi. Cộng đồng cũng có thể bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi những kẻ săn mồi? Có lẽ thảm thực vật thống trị hệ sinh thái không phải vì các loài sinh vật sản xuất đã hạn chế các loài khác, mà vì những kẻ săn mồi đã ngăn cản động vật ăn cỏ chăn thả quá mức. Thí nghiệm của Paine là một trong những thí nghiệm đầu tiên chứng minh một cách thuyết phục khả năng điều khiển từ trên xuống trong thời gian thực.

Sau đó nhà sinh thái học James Estes đã ghi lại cách rái cá biển trong các khu rừng tảo bẹ ngoài khơi California đóng vai trò then chốt giống như vai trò của sao biển trong các hồ thủy triều ở Paine. Trong một bài báo năm 1974 được xuất bản trên Khoa học, ông mô tả rái cá biển, một loài săn mồi duy nhất, cấu trúc sự đa dạng của cộng đồng rừng tảo bẹ. Rái cá biển kiểm soát nhím biển ăn cỏ; nếu không có kẻ săn mồi, nhím biển chăn thả quá mức và xóa sổ toàn bộ các loài phụ thuộc vào tảo bẹ.

Những nghiên cứu này và ý tưởng then chốt trở nên nổi bật vào cùng thời điểm mà ý thức bảo vệ môi trường của Hoa Kỳ đang nổi lên. Năm 1973, Quốc hội đã thông qua Đạo luật về các loài có nguy cơ tuyệt chủng. cách tiếp cận tập trung vào loài để bảo tồn động vật hoang dã. Ý tưởng khôi phục quần thể của một loài duy nhất - có lẽ là yếu tố then chốt - có thể đảm bảo tính đa dạng sinh học của một cộng đồng sinh thái phù hợp với khuôn khổ pháp lý mới này.

Kết quả là, khái niệm loài đá chủ chốt đã có một đời sống riêng. Các nhà khoa học và nhà bảo tồn ngày càng áp dụng thuật ngữ này cho bất kỳ loài nào được coi là quan trọng, làm sai lệch ý tưởng ban đầu của Paine. Những loài săn mồi hàng đầu như chó sói và cá mập mà sự vắng mặt của chúng đã gây ra những tác động lan tỏa mạnh mẽ rõ ràng là những yếu tố then chốt. Các kỹ sư hệ sinh thái thay đổi môi trường sống như hải ly, chim gõ kiến, bò rừng và cầy thảo nguyên cũng vậy. Nhưng chẳng bao lâu sau, cũng đã có những tài liệu tham khảo khoa học về động vật ăn cỏ chủ chốt, thực vật chủ chốt, loài thụ phấn chủ chốt, thậm chí cả mầm bệnh chủ chốt. Các nhóm loài được coi là quan trọng được dán nhãn là “các bang hội chủ chốt”.

Khi thuật ngữ này trở nên phổ biến rộng rãi, các nhà sinh thái học đã âm thầm nghiên cứu định nghĩa toán học về mối quan hệ giữa các nút loài trong mạng lưới sinh thái. Trên đảo Tatoosh, các sinh viên của Paine tiếp tục nghiên cứu các hồ thủy triều, thêm hoặc bớt các loài để xem loài nào quan trọng nhất đối với cộng đồng. Thực hiện các phép đo cẩn thận trong nhiều năm, họ đã định lượng khả năng tương đối của mỗi máy ăn cỏ để tác động đến khả năng bén rễ của tảo bẹ con - một phép đo mà Paine gọi là “cường độ tương tác bình quân đầu người” và sau này được gọi là “nền tảng chính”. Nếu một sinh vật có tính chất then chốt cao thì mỗi cá thể sẽ có tác động lớn một cách không cân xứng đến hệ sinh thái của nó.

Tuy nhiên, hầu hết mọi người không tuân theo phép toán sinh thái mới này. Đến những năm 1990, một số nhà sinh thái học đã cảnh giác rằng việc lạm dụng “các loài chủ chốt” đang làm biến đổi và làm giảm ý nghĩa của khái niệm này. Đã đến lúc phải băm nó ra. Vào tháng 1994 năm XNUMX, một hội nghị nhỏ của các nhà sinh thái học - một số người tự nhận mình là “cảnh sát chủ chốt” - được tổ chức tại Hilo, Hawaii, để phát triển một định nghĩa đồng thuận. Theo phép toán của Paine và Power, họ đồng ý rằng “loài chủ chốt là loài có tác động lớn đến cộng đồng hoặc hệ sinh thái của nó và lớn hơn nhiều so với mong đợi từ sự phong phú của nó”.

Theo định nghĩa này, cá hồi không phải là loài chủ chốt mặc dù chúng rất quan trọng về mặt sinh thái. Salomon nói: “Nếu bạn bắt một con cá hồi ra khỏi sông, nó sẽ không gây ra tác động lớn. Ngược lại, nếu bạn lấy một con sao biển ra khỏi một phần của vùng thủy triều, “nó sẽ có tác động lớn”.

Hội nghị Hilo là một nỗ lực xứng đáng. Nhưng điều đó không ngăn cản các nhà nghiên cứu đặt tên cho những viên đá đỉnh vòm mới trong những thập kỷ sau đó. “Vấn đề là không có tiêu chuẩn nào mà các nhà nghiên cứu tuân theo trong việc chỉ định sinh vật nghiên cứu của họ làm nền tảng,” cho biết. Bruce Menge, một nhà sinh thái học cộng đồng tại Đại học Bang Oregon và một cựu sinh viên tốt nghiệp Paine khác. “Bất kỳ ai cũng có thể tự do đề xuất, tranh luận hoặc suy đoán rằng loài của họ là nền tảng.” Và thực sự, một phân tích mới gần đây đã tiết lộ khái niệm này đã mở rộng đến mức nào.

Tất cả chúng ta đều là Keystone ở đây

Năm 2021, Ishana Shukla là sinh viên tốt nghiệp tại Đại học Victoria đang tìm cách phân tích các đặc điểm của các loài chủ chốt. Cô nói: “Tôi khá ngây thơ khi nghĩ rằng bạn chỉ cần tra Google danh sách các loài chủ chốt và một danh sách đáng yêu sẽ xuất hiện. Khi không tìm được, cô nghĩ mình sẽ tự tạo ra cái của riêng mình. Cô đã khai thác dữ liệu được công bố trong hơn 50 năm, bao gồm 157 nghiên cứu và xác định 230 loài được coi là yếu tố then chốt. Cô thấy rằng khi kiến ​​thức sinh thái được nâng cao, “chức năng của đá đỉnh vòm bắt đầu ngày càng mở rộng hơn”.

Sử dụng kỹ thuật phân tích để sắp xếp các mục thành các cụm liên quan, cô và các đồng tác giả đã tìm thấy năm loại loài chủ chốt: động vật ăn thịt có xương sống lớn như cá mập và chó sói; loài ăn thịt không xương sống như nhím biển gai dài và bướm bắp cải; các loài tầm trung vừa là loài săn mồi vừa là con mồi, chẳng hạn như cá tráp và cá đầu bò; động vật không xương sống đóng vai trò quan trọng trong lưới thức ăn như tôm phía bắc và ong mật; và các loài động vật có vú nhỏ làm thay đổi môi trường sống như chuột băng và cầy thảo nguyên đuôi đen.

“Chúng tôi đã xác định được toàn bộ các yếu tố then chốt không nhất thiết phải được thực hiện hành động bảo tồn hoặc chú ý bảo tồn, nhưng chúng tôi có thể thấy rằng chúng cực kỳ quan trọng đối với hệ sinh thái của chúng ta,” cho biết shukla, hiện là nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học California, Davis.

“Thông điệp quan trọng nhất từ ​​bài báo này là các loài chủ chốt không giống nhau,” cho biết Diane Srivastava, một nhà sinh thái học cộng đồng tại Đại học British Columbia, khi làm việc ở Costa Rica, đã xác định ấu trùng chuồn chuồn kim là loài chủ chốt trong nước đọng lại bên trong lá cây dứa dại. “Nhận thức của công chúng về loài chủ chốt là chúng là động vật có vú lớn trên cạn… nhưng thực tế, hầu hết chúng không phải vậy. Hầu hết các loài keystone đều sống dưới nước. Nhiều người trong số họ không phải là kẻ săn mồi. Có rất nhiều động vật không xương sống.”

Tuy nhiên, bài báo không cố gắng đánh giá liệu những loài này có phải là nền tảng toán học thực sự hay không. Thay vào đó, Menge cho biết, Shukla và các cộng tác viên của cô chỉ tóm tắt cách thuật ngữ này đã được sử dụng và sử dụng sai mục đích. Theo cách đó, nghiên cứu nhấn mạnh, thay vì phức tạp, “tiếp tục sử dụng rộng rãi thuật ngữ 'loài chủ chốt' để chỉ bất kỳ tác nhân tương tác mạnh nào có hậu quả gián tiếp", ông nói.

Không có danh mục nào của Shukla bao gồm vi khuẩn. Thật vậy, Paine và những người khác không hề nghĩ đến vi sinh vật trong các thí nghiệm của họ. Tuy nhiên, việc định lượng tính chất then chốt đã trở thành chủ đề của một hướng nghiên cứu mới về vi sinh y học.

Keystone trong ruột của bạn

Hệ vi sinh vật liên quan đến hàng trăm đến hàng nghìn loài vi sinh vật tương tác trong một hệ sinh thái phức tạp. Vậy tại sao họ cũng không nên có những loài chủ chốt?

“Có lẽ, nếu có một loại đá chủ chốt thì hệ thống có thể khá mỏng manh,” nói. Yang-Yu Liu, người nghiên cứu hệ vi sinh vật tại Bệnh viện Brigham and Women's và Trường Y Harvard. Ví dụ, nếu thuốc kháng sinh tiêu diệt vi khuẩn chủ chốt trong ruột của bạn, hệ sinh thái vi khuẩn có thể sụp đổ và gây ra các biến chứng về sức khỏe. “Đó là lý do tại sao tôi quan tâm đến việc xác định các loài chủ chốt từ các cộng đồng vi sinh vật,” ông nói.

Về mặt kỹ thuật hoặc đạo đức, việc loại bỏ từng loài trong hệ vi sinh vật của con người là không thể, giống như cách bạn bắt sao biển khỏi đá. Thay vào đó, Liu và các đồng nghiệp của ông chuyển sang AI trong một bài báo xuất bản vào tháng 11 năm Sinh thái tự nhiên & tiến hóa. Sử dụng dữ liệu từ cơ sở dữ liệu hệ vi sinh vật đường ruột, miệng, đất và san hô, họ đã đào tạo một mô hình học sâu để xếp hạng tầm quan trọng của các loài trong cộng đồng vi sinh vật bằng cách xem xét điều gì đã xảy ra với cộng đồng sau khi mỗi loài bị loại khỏi hệ vi sinh vật mô hình của nó - về cơ bản là định lượng yếu tố quyết định -tính chất của từng vi sinh vật.

Trong phân tích của Liu, “chúng tôi không tìm thấy bất kỳ loài nào có khối đá đỉnh vòm rất lớn,” ông nói. Giá trị tính toán cao nhất là khoảng 0.2. Với định nghĩa của họ về mức độ quan trọng nằm trong khoảng từ 1 đến 0.2, “XNUMX thực sự không phải là một con số lớn,” ông nói.

Điều đó không có nghĩa là không có yếu tố then chốt trong cộng đồng vi sinh vật. Liu tin rằng những quần xã này có mức độ dư thừa chức năng rất cao - nghĩa là nhiều loài có thể thực hiện vai trò sinh thái tương tự và do đó có thể thay thế cho nhau. Và một số loài có thể có tính chất then chốt cao không phải theo nghĩa tuyệt đối mà liên quan đến hệ vi sinh vật của một người nhất định, vốn có tính cá nhân hóa cao. Liu nói: “Những loài đó khá quan trọng vì nếu bạn loại bỏ chúng, hệ thống có thể thay đổi rất nhiều”.

Theo nghĩa đó, trong các cộng đồng vi sinh vật, khái niệm loài chủ chốt phụ thuộc vào bối cảnh. Một yếu tố quan trọng trong hệ vi sinh vật này có thể không phải là yếu tố then chốt ở một hệ vi sinh vật khác. Liu nói: “Tôi cảm thấy khía cạnh này chưa được các nhà sinh thái học đánh giá cao.

Các nhà sinh thái học hiện đang vật lộn với bản chất bối cảnh này của các loài chủ chốt ngoài vi khuẩn và cân nhắc xem liệu khái niệm này có quan trọng hay không và như thế nào trong bối cảnh thực tế mất đa dạng sinh học.

Đánh giá lại phép ẩn dụ

Menge đã cống hiến sự nghiệp của mình để tìm hiểu cấu trúc cộng đồng sinh thái, tiếp tục nhấn mạnh vào các bờ đá từ công việc tốt nghiệp của ông với Paine. Anh ấy phát hiện ra rằng ngôi sao màu tím mang tính biểu tượng của Paine không phải là loài chủ chốt ở khắp mọi nơi. Nó có tính chất then chốt mạnh hơn ở một số nơi, ví dụ như ở các vùng thủy triều bị sóng đánh mạnh hơn. “Trên thực tế, ở những nơi được che chắn nhiều hơn, sao biển thực sự không phải là hòn đá đỉnh vòm,” ông nói.

Paine cũng dần chấp nhận điều này. Ở Alaska, nơi không có loài trai được nhiều ngôi sao tím phương nam ưa thích, kẻ săn mồi “chỉ là một con sao biển khác”, Power nhớ lại Paine nói.

Menge cho biết, thực tế là các loài chủ chốt phụ thuộc vào bối cảnh và chúng khác nhau về không gian và thời gian đã bị “bỏ sót trong các nghiên cứu ngắn hạn”.

Tuy nhiên, Srivastava vẫn chưa sẵn sàng từ bỏ khái niệm này. Mặc dù việc tập trung vào các yếu tố then chốt và các loài đơn lẻ có thể khiến các nhà hoạch định chính sách và nhà bảo tồn mất tập trung vào các phương pháp tiếp cận toàn diện hơn để bảo tồn, nhưng việc bảo vệ và khôi phục một loài đơn lẻ đôi khi có thể mang lại lợi ích cho nhiều loài khác trong hệ sinh thái. Cô nói: “Điều đó không có nghĩa là chúng ta vội vàng cứu các loài chủ chốt và bỏ qua sự đa dạng của toàn bộ hệ thống.

Srivastava cũng nhấn mạnh rằng nền tảng không phải là cách duy nhất để ổn định hệ thống. Bà nói: “Các nhà sinh thái học hiện nay cho rằng một số tương tác quan trọng nhất xét về mặt ổn định thực ra là những tương tác tương đối yếu”. “Nếu bạn có nhiều loài có khả năng tương tác yếu, điều đó giống như có rất nhiều cọc lều buộc lều của bạn trong một cơn bão gió. Nó làm tiêu tan một số nhiễu loạn.”

Menge phần lớn đồng ý. Ông nói: Trong bối cảnh toàn cầu mất đi các loài, trọng tâm chính phải là bảo vệ môi trường sống và đa dạng sinh học chứ không phải các loài riêng lẻ. “Nếu hai việc đó được thực hiện ở đủ nơi, thì tôi không chắc ý tưởng về loài đá chủ chốt có quan trọng đến thế hay không.”

Có thể một yếu tố then chốt quan trọng hơn những yếu tố còn lại. Trong một trong những bài báo cuối cùng của Paine, được xuất bản vào năm 2016 vào ngày ông qua đời, ông và nhà sinh thái học Giun Boris đề xuất rằng con người là một “loài siêu khóa” — một thứ có tác động sâu sắc thông qua việc khai thác các yếu tố then chốt khác.

Con người không thể bị loại bỏ khỏi hệ thống như sao biển để định lượng tác động của chúng ta. Nhưng chúng ta có thể học cách giảm bớt yếu tố then chốt thông qua chính sách và thực hành bảo tồn hiệu quả, Salomon nói. “Chúng ta cũng có khả năng học cách quản lý bản thân.”

Đó là một lý do tại sao các nhà sinh thái học tiếp tục xác định lại và xem xét lại các loài chủ chốt. Biểu tượng mạnh mẽ sẽ không đi đâu cả, nhưng với định nghĩa được cải thiện, mọi người có thể học cách áp dụng nó tốt hơn.

Paine biết điều này. Salomon thích chia sẻ lời nói của mình với các học trò của mình: “Bạn không thể quản lý nếu thiếu hiểu biết. Bạn phải biết loài nào làm gì, chúng ăn ai, loài con mồi này có vai trò gì. Khi bạn biết điều đó, bạn có thể đưa ra một số quyết định thông minh.”