65 лет экологи ошибались. Вся природа работает наоборот

Долгое время экологи пытались понять, почему одни природные экосистемы легко захватываются инвазивными видами, а другие остаются устойчивыми к внешним угрозам . В классической книге 1958 года эколог Чарльз Элтон предположил, что чем больше видов в экосистеме, тем выше её устойчивость. Он писал, что в разнообразной среде ресурсы уже распределены между множеством организмов, и захватчику просто не остаётся шанса занять свою нишу. По его мнению, простые пищевые сети уязвимы, а сложные системы способны сдерживать захватчиков за счёт хищников и паразитов.

С тех пор экологи обследовали леса, луга, озёра и океаны, чтобы проверить эти идеи. Но задача оказалась сложной. Выяснить, какие именно факторы влияют на уязвимость экосистем, непросто, а сознательное внедрение нового вида в природу как эксперимент — этически сомнительно. Кроме того, накопленные данные не всегда подтверждают гипотезу Элтона: в некоторых богатых видами экосистемах вторжение действительно подавляется, но в других оно проходит без особых препятствий.

«Как и во многих вопросах экологии, данные противоречивы», — отметил Джефф Гор , физик из Массачусетского технологического института.

В своей лаборатории Гор изучает экосистемы, не выезжая на природу и не нарушая баланс в реальных сообществах. Вместе с коллегами он выращивает микробные сообщества в пробирках — упрощённых аналогах природных экосистем — чтобы проверять экологические теории. Результаты этого подхода, опубликованные в недавнем исследовании , указывают на новый фактор, влияющий на успех инвазивного вида.

Когда учёные добавляли в свои микробные сообщества новые виды, они столкнулись с неожиданностью. Вопреки прогнозам Элтона, инвазии чаще происходили в более разнообразных экосистемах, особенно если численность видов в них постоянно колебалась. Это навело исследователей на мысль, что нестабильность самих сообществ может способствовать вторжению.

По словам Джонатана Левина , эколога из Принстона, не участвовавшего в работе, вопрос действительно классический, но никто до этого не исследовал его одновременно с теоретической и экспериментальной стороны. Он назвал открытие о связи динамики экосистемы с уязвимостью к инвазии «вдохновляющим и новым».

По мнению Меган Ли , микробиолога из Швейцарского института водных наук, исследование Горa позволяет взглянуть на биоразнообразие под новым углом. Обычно экологи оценивают разнообразие по количеству видов в момент времени. Однако здесь предлагается динамический подход, учитывающий изменения численности, что, по словам Ли, даёт более точное представление о реальной сложности экосистемы.

Гор — физик, который переквалифицировался в эколога . Вместе с коллегами он более десяти лет выращивает микробные сообщества в лабораторных условиях. Основной инструмент — пластиковая пластина с 96 небольшими углублениями, в которых живут бактерии, собранные на территории MIT . Каждое углубление — это мини-экосистема, подобие кишечника, кораллового рифа или тропического леса. Наблюдая за множеством таких моделей, команда Гора изучает, как устроены сообщества живых организмов.

Зачем моделировать природу в лаборатории? Потому что изучать её в реальности очень сложно. Растения и животные развиваются годами, и за это время на них влияет масса факторов. В то же время микробы позволяют быстро проверять гипотезы. «Никто не возражает, если вы экспериментируете на микробах», — подмечает Уильям Шумейкер , микробиолог из Международного центра теоретической физики Абдуса Салама. Это позволяет многократно повторять эксперименты и сравнивать результаты.

Секвенируя ДНК из своих моделей, учёные получают точную информацию о составе и численности видов. Благодаря этому можно чётко отследить влияние изменений на экосистему.

Методика оказалась плодотворной. В 2022 году команда обнаружила, что сообщества микробов переживают фазовые переходы , аналогичные тем, что изучаются в физике. При увеличении количества видов или силы их взаимодействия экосистема может перейти из стабильного состояния в хаотичное. В третьей фазе численность видов колеблется настолько сильно, что экосистема теряет устойчивость.

Гор решил проверить, что произойдёт, если внедрить в такие нестабильные сообщества посторонний вид. Эксперименты показали, что в экосистемах с высокой изменчивостью захватчики выживают в восемь раз чаще. Хотя это противоречит предположениям Элтона, Гор считает, что колебания создают новые ниши, которые может занять внешний вид.

Особенно интересно, что сообщества с сильным взаимодействием между видами были лучше защищены от захватчиков. Но если им всё же удавалось закрепиться, они сильно влияли на экосистему, иногда увеличивая её биомассу. По мнению Шумейкера, эти результаты наглядно показывают, как вторжение может изменить среду.

Далее команда Гора попыталась найти универсальный предиктор успешного вторжения. Им стал так называемый коэффициент выживания — доля видов, сохранившихся в сообществе спустя неделю после начала эксперимента. Чем больше видов выживает, тем выше шанс, что новый вид тоже сможет прижиться.

Такой подход, по словам Гора, перекликается с концепциями «альфа» и «гамма»-разнообразия в экологии. Если экосистема уже допускает сосуществование большого количества видов, то, возможно, она открыта и для новых.

Чтобы сопоставить свои результаты с теорией, учёные обратились к классической математической модели Лотки–Вольтерры, описывающей колебания популяций хищников и жертв. Модифицированная версия модели подтвердила: экосистемы с флуктуациями действительно более уязвимы.

Однако, как отметил Левин, в реальных природных системах, например в лесах, подобные колебания могут играть меньшую роль. Но в сообществах с короткими поколениями — таких как у насекомых или планктона — они вполне могут быть важным фактором. Следующий шаг, по мнению Левина, — разобраться, какие именно скрытые взаимодействия между видами приводят к таким колебаниям и как они влияют на устойчивость экосистемы.