В эпоху быстрых экологических изменений ученые обращаются к историческим периодам устойчивости, чтобы лучше понять, что движет стабильностью. Команда из Калифорнийской академии наук и Полевого музея естественной истории изучила структурную сложность древних экосистем, изучив количество видов и то, как они организованы по функциям, например, высшие хищники или редуценты. Все стабильные экосистемы имеют виды, сгруппированные по функциям, и исследование показало, что эти функциональные группы более важны для стабильности экосистемы, чем само количество присутствующих видов. Удивительно, но исследование также показало, что среди смоделированных систем одинаковой, но разной сложности те, которые представляют реальные древние экосистемы, были более стабильными. В настоящее время команда изучает, почему одни функциональные композиции лучше других и как эти структуры возникают с течением времени. Понимание организации стабильных экосистем прошлого позволяет ученым лучше предсказывать, подтолкнуло ли современное воздействие человека нашу нынешнюю планетарную систему к точке восстановления ее исходного состояния.
Чтобы провести свой анализ, команда изучила крупное массовое вымирание, которое произошло 252 миллиона лет назад, и его воздействие на древние экосистемы Южной Африки. Их результаты, опубликованные на этой неделе в журнале Earth-Science Reviews, представляют собой один из самых веских аргументов в пользу сохранения систем видов, а не отдельных особей в наши дни.
«Исследуя сообщества до и после этого массового вымирания, мы обнаружили, что самые долгоживущие системы не отличались какими-либо очевидными особенностями, за исключением более длительной эволюционной истории», - говорит ведущий автор исследования доктор Питер Рупнарин. и куратор академии геологии.«Функциональные структуры, возникшие с течением времени в этих системах, позволили видам иметь меньшую вероятность исчезновения и более стабильно сосуществовать в различных экологических условиях. также богат видами."
Затем команда смоделировала миллионы альтернативных структур в поисках других способов, которыми экосистема могла бы поддерживать сильное сосуществование видов, но очень немногие структуры оказались лучше стабильных систем, которые они идентифицировали в летописи окаменелостей. Альтернативные функциональные устройства команды были разными; некоторые организовали виды в соответствии с различными функциями, другие изменили способ взаимодействия этих видов, а некоторые даже изменили поток энергии между видами.
«Вряд ли эти успехи возникли случайно», - говорит Рупнарин. «Это говорит нам о том, что в истории есть сильный отпечаток - явное повторение - того, как экосистемы строятся в течение геологического и эволюционного времени. Мы не знаем, почему стабильные сообщества до вымирания и после восстановления были намного лучше, чем наши смоделированные альтернативы, но эволюция явно благоприятствовала им и их функциональной организации. Выяснение того, почему со временем возникают стабильные сообщества, является одним из следующих больших вопросов».
Шаг в Кару
Команда выбрала бассейн Кару в Южной Африке для исследования из-за беспрецедентной летописи окаменелостей в этом регионе. Анализ исследования начинается около 254 миллионов лет назад, когда Африка, Антарктида и Южная Америка окружали Кару на суперконтиненте, известном как Гондвана. Древние родственники млекопитающих доминировали в тогдашнем лесном ландшафте. Кару достиг своего наивысшего уровня видового разнообразия, когда грянуло изменение климата.
«Около 252 миллионов лет назад на территории нынешней Сибири произошли мощные извержения вулканов», - говорит доктор Кеннет Ангельчик, помощник куратора отдела палеомаматологии Полевого музея естественной истории. «В процессе этих извержений магма прожигала угольные отложения в окружающих породах, выделяя парниковые газы, такие как углекислый газ. Дополнительные парниковые газы были выпущены извергающейся лавой, и вместе эти процессы начали изменять глобальный климат. По сути, это было массовое сжигание ископаемого топлива, с параллелями того, что мы наблюдаем сегодня, но на протяжении десятков тысячелетий».
За этим последовало несколько волн вымирания, в результате чего экосистема Кару сократилась до части того, чем она была. В конце концов, восстановление разнообразия сформировало новую экосистему, в которую вошли выжившие после вымирания, а также виды, мигрировавшие из близлежащих районов. Несмотря на всплеск численности видов, система была геологически недолговечной. По мере того как восстановление продолжалось в течение следующих нескольких миллионов лет, возникла система со знакомой чертой: функциональная организация, которая поддерживала стабильность сосуществования видов выше среднего.
«Когда у вас есть виды, перемещающиеся из-за экологических потрясений, или вы заставляете виды объединяться в сообщества, в которых они не эволюционировали совместно, эти системы почти всегда менее успешны, чем системы, в которых виды имеют общую историю», - говорит Рупнарин.«Сегодня мы не можем возиться с экосистемами, заставить их функционально разваливаться и ожидать, что жизнь продолжится и восстановится так, как обычно для этого требуются десятки тысяч лет. Летопись окаменелостей показывает, что такой подход нежизнеспособен."
Альтернативные истории
Команда смоделировала миллионы альтернативных историй, чтобы лучше понять крушение и восстановление Кару. Они основывали свои модели на прямых и косвенных свидетельствах взаимодействий из летописи окаменелостей: ископаемое содержимое желудка и повреждения скелета указывают на признаки хищничества, а размер тела, размер черепа и среда обитания указывают на потенциальное взаимодействие видов. Команда также провела аналогии с современными животными, которые экологически похожи или тесно связаны на эволюционном древе. Используя компьютеризированные математические модели, они затем провели миллионы «мысленных экспериментов» над каждым сообществом, чтобы проверить влияние изменения функциональной организации сообщества на скорость его исчезновения.
Одна альтернативная структура, которую смоделировала команда, устраняет всю функциональную организацию, так что виды могут свободно взаимодействовать без какой-либо установленной иерархии того, кто кого ест. Другая альтернатива сохраняет исходное количество функциональных групп и количество видов, но изменяет взаимодействие между ними, так что энергия течет по-разному между видами. Третий вариант полностью меняет количество видов в каждой функциональной группе - например, соотношение хищников и жертв, - но это незначительно влияет на стабильность сообщества.
«Мы обнаружили, что любая организация вида лучше, чем отсутствие организации, но некоторые модели определенно лучше других», - говорит Ангельчик. «Как именно эволюция видов приводит к сборке стабильных сообществ из широкого спектра возможных альтернатив, и математические причины, почему эти альтернативы различаются по стабильности, являются одними из наших следующих больших вопросов."
Команда надеется, что лучшее понимание периодов постоянства даст информацию о том, как далеко продвинулось современное общество в разборке существующих планетарных систем. «Отправные точки для видов и экологических сообществ не обязательно совпадают», - говорит Рупнарин. «Вопрос в том, полностью ли наша планета полностью отказалась от нового экологического и эволюционного пути, или мы все еще действуем в рамках нашей нынешней системы».
Результаты исследования подчеркивают важность летописи окаменелостей для предсказания будущего.
«Экологические системы, которые мы имеем сегодня, являются задокументированным продуктом геологической и эволюционной истории - их нелегко ни создать, ни восстановить», - говорит Рупнарин. «Здесь у нас есть выбор альтернативных историй, и я надеюсь, что мы решим позаботиться о планетарной системе, которая поддерживала жизнь в том виде, в каком мы ее знаем, на протяжении тысячелетий».