Ekologisk kris kan förvarnas

Weddellhavet vid Antarktis. Tre miljoner kvadratkilometer av nollgradigt havsvatten och shelfis. Ett känsligt ekosystem där en invasion av stora, tjockskaliga krabbor nu hotar att rubba balansen. Vetenskapen står ofta handfallen inför sådana händelser, men nya avancerade datormodeller kan förutsäga skadeverkningarna.

Det ekologiska nätverket i Weddellhavet omfattar omkring 500 arter, från växtplankton och encelliga urdjur till sälar och späckhuggare. Efter ett mångårigt arbete har marinbiologer – som bland annat analyserat djurens maginnehåll – funnit 16 000 interaktioner som handlar om vem som äter vem.

Den 2 000 kilometer vida havsviken vid nordvästra Antarktis är ett av de 200 verkliga system som forskaren Anna Eklöf vid Linköpings universitet och hennes medarbetare använt som referenser i sitt arbete med att teoretiskt beskriva ekologiska nätverk. Målet är att förenkla modellerna så att de blir praktiskt användbara utan att förlora i relevans.

– Tanken är att man ska kunna använda våra modeller för att till exempel förbereda sig på hur en ny art kommer att påverka nätverket, säger Anna Eklöf som genomförde studien under sin tid som postdoktor vid University of Chicago.

I februari 2013 publicerades resultaten i den ansedda ekologiska tidskriften Ecology Letters.

Kaotiska slagfält

Enligt begreppet ”ekologisk nisch” kan alla arter beskrivas utifrån deras egenskaper och/eller icke-biologiska faktorer i omgivningen. Det kan inte finnas mer än en art i exakt samma nisch. Men teorin har varit svår att överföra till verkligheten eftersom faktorerna kan vara hur många som helst.

Ekosystem är kaotiska slagfält med ett virrvarr av växter och djur; predatorer, byten och konkurrenter. De prydliga diagram som ritas upp för att illustrera näringsvävar speglar sällan verkligheten. En sann bild av ett ekologiskt nätverk är mångdimensionellt och beaktar flera egenskaper hos varje art. Men hur många dimensioner krävs för att en sådan modell ska kunna beskriva komplexiteten i ett stort ekosystem?

Det var den frågan Anna Eklöf och professor Stefano Allesina sökte svar på i sitt forskningsprojekt.

Enkla ekosystem existerar knappast

Som mått på komplexiteten i ett ekologiskt nätverk använder de begreppet dimensionalitet. Om man tänker sig en damm med tio fiskarter av olika storlek, där kroppsstorleken är den enda egenskap som har betydelse och varje art bara äter dem som är mindre, då är nätverket endimensionellt. Om fiskarna är ojämnt utspridda och de stora bara äter de mindre i sin del av dammen, då har vi lagt till en dimension. Och om fiskarna har olika färg och de blå bara äter de röda, då måste vi lägga till en tredje dimension.

Så enkla ekosystem existerar knappast i verkligheten. Hundratals arter och tiotusentals interaktioner är mera normalt, men hur ska man kunna hantera det? Med hjälp av kraftfulla datorer har Anna Eklöf och hennes medarbetare plöjt igenom 200 existerande näringsvävar, från Karibiens korallrev via Nya Zeelands betesmarker till Antarktis iskalla hav. Från ett stort antal dimensioner har de klättrat nedåt och steg för steg korrelerat sina teoretiska beräkningar med verkliga data från fältstudier.

– Våra beräkningar visar att man sällan behöver ta hänsyn till mer än ett tiotal dimensioner, även i mycket stora nätverk. I Weddellhavet med sina 500 arter är antal teoretiskt möjliga interaktioner omkring 240 000. Genom att bara använda tre dimensioner kunde vi sålla bort 200 000, säger Anna Eklöf.

Direkt koppling till vad som händer

Vilka egenskaper som är relevanta varierar mellan olika typer av nätverk. I stora näringsvävar har djurens kroppsstorlek, födoval, livsmiljö och rörelsemönster stor betydelse. I ett nätverk med blomväxter och pollinatörer kan det handla om matchande egenskaper, till exempel mellan blommans djup och insektens mundelar eller kolibrins näbb.

Här finns en direkt koppling till vad som händer i systemet när en art dör ut, när en främmande art kommer i och ockuperar en ledig nisch, eller när klimatet förändras. Forskarnas rön kan hjälpa biologer och naturvårdare att hantera situationer som när invaderande arter tar ett nytt område i besittning eller när en art dör ut. Genom att titta på artens egenskaper ska de kunna förutse hur systemet kan påverkas.

De avskräckande exemplen är många. I Australien infördes en art av giftiga paddor för att bekämpa skadedjur i jordbruket, men som i brist på naturliga fiender nu blivit ett hot mot den unika inhemska faunan. I Everglades nationalpark i Florida försöker man bekämpa den burmesiska tigerpytonormen som orsakat en dramatisk nedgång hos flera djurarter i området. I norra Sverige ser man med oro hur mårdhunden vinner terräng, en östlig art som kan orsaka stor skada på det inhemska fågellivet och sprida rabies och andra sjukdomar.

Snåriga nätverk

Ett ekologiskt nätverk kan innehålla hundratals arter av växter och djur, med tiotusentals interaktioner mellan dem och deras fysiska omgivning. I artikeln visar författarna hur en trovärdig modell kan skapas med minsta möjliga antal dimensioner.

The dimensionality of ecological networks av Anna Eklöf, Stefano Allesina et al. Ecology Letters online 26 februari 2013. doi: 10.1111/ele.1281
Spatiotemporal Biology at LiU: https://www.ifm.liu.se/theomod/theobio/research-spabio/
Allesina Lab, University of Chicago


2013-03-07