Понимание факторов, лежащих в основе утраты биоразнообразия, является одной из наиболее актуальных задач, стоящих перед учеными в настоящее время. Быстрые темпы утраты и фрагментации среды обитания, а также крупномасштабные нарушения (например, биологические вторжения, деградация среды обитания, периодическая дефаунизация) в настоящее время являются основными антропогенными факторами вымирания видов.
Ограничения
Текущие оценки вымирания видов на три-четыре порядка превышают фоновые темпы вымирания. Недавние оценки угрозы исчезновения в результате широкого спектра климатических воздействий и типов экосистем показывают, что реальные эмпирические данные часто превышают прогнозируемые значения, что свидетельствует о том, что учёные всё еще далеки от наличия адекватных инструментов для прогнозирования исчезновения видов, связанного с такими серьезными антропогенными нарушениями, как утрата среды обитания. Кроме того, многие виды в настоящее время выживают в такой низкой плотности, что их можно считать практически вымершими с экологической точки зрения.
Эти ограничения препятствуют адекватной оценке деградации экосистемных функций и их производных услуг, что является новой областью исследований, где критерием разнообразия является видовое богатство. Потеря биоразнообразия в значительной степени оценивается через исчезновение видов. Однако важным, но часто упускаемым из виду компонентом утраты биоразнообразия, который продолжается или даже может предшествовать исчезновению видов, является исчезновение экологических взаимодействий, в которых участвуют эти виды.
Более того, исчезновению взаимодействий и связанных с ними экологических функций может предшествовать полное исчезновение видов, т.е. когда изобилие видов настолько сокращается, что представляет собой их функциональное исчезновение.
Несколько исследований уже показали, что взаимодействие видов особенно чувствительно к различным антропогенным факторам, которые часто меняют свою частоту или нарушаются в результате крупных экологических изменений. В связи с этим существует настоятельная необходимость в разработке надежных аналитических инструментов, таких как общие механистические модели, для понимания, прогнозирования и регулирования воздействия антропогенных факторов на биотические взаимодействия.
Увеличение
Учёные полагают, что вымирание видов увеличивается по мере нарастания утраты среды обитания, что является характерной проблемой сохранения видов в XXI веке. Другие сценарии, в которых прирост видов происходит после утраты местообитаний, здесь не рассматриваются, но расширение предлагаемой модели может объяснить эти ситуации.
Соответственно, учёные определяют погашение задолженности по экологическим взаимодействиям как любую будущую потерю взаимодействия, которая должна быть реализована в результате текущего или прошлого нарушения окружающей среды.
Несоответствие кривых вымирания видов и взаимодействия определяет реакцию экологических функций в зависимости от того, насколько существенным является их функциональное воздействие на местные сообщества. В этой ситуации число взаимодействий, исчезающих в результате утраты среды обитания, можно считать пропорциональным количеству исчезнувших видов.
Однако это предположение не обязательно является вполне оправданным, поскольку подразумевает, что :
- виды эквивалентны по количеству и качеству взаимодействия,
- виды не могут выжить, по крайней мере временно, несмотря на то, что они в основном не связаны с другими,
- возникновение новых взаимодействий не происходит. В этом упрощенном сценарии, который может служить нулевой гипотезой, набор взаимодействий рассматривается как статичный и однородно структурированный.
Для изучения широкого спектра ситуаций, когда количество утраченных взаимодействий не соответствует линейному количеству видов, исчезающих из сообщества, учёные разработали модель, которая учитывает, каким образом утрачиваются взаимодействия в зависимости от утраты среды обитания.
Эта модель позволяет исследовать последствия увеличения или уменьшения потери взаимодействия по отношению к ожидаемому количеству при прямо пропорциональной потере взаимодействия, т.е. балансе взаимодействия. Баланс взаимодействия, в свою очередь, зависит от одного параметра, который мы называем дельта, свойство сообщества, которое отражает его устойчивость или восприимчивость к потерям взаимодействия относительно исчезновения видов.
Избыток взаимодействия возникает тогда, когда среднее число взаимодействий на вид (степень) сообщества, подвергшегося утрате среды обитания, больше, чем до утраты среды обитания. Во-первых, если выжившие виды строят новые взаимодействия, то потеря прямого пропорционального взаимодействия может быть чрезмерно компенсирована, увеличивая плотность связи.
Например, многие растения посещают эффективные опылители, которые на конкурентной основе исключают менее эффективных опылителей. Во-вторых, когда вымирание видов смещено в сторону менее связанных видов и связи между ними остаются неизменными после нарушения, можно ожидать избытка взаимодействия по сравнению с ситуацией до нарушения.
Избыток взаимодействия
Наконец, избыток взаимодействия может возникнуть, когда потеря взаимодействия, вызванная исчезновением ключевого вида, способствует возникновению новых взаимодействий другого типа. Во многих сообществах конкуренция между видами растений отменяется присутствием ключевого травоядного растения широкого профиля, который удерживает изобилие растений ниже критического порога.
В этой новой ситуации количество конкурирующих взаимодействий в сообществе без травоядных увеличивается по сравнению с первоначальным сообществом. Во втором, неисключительном механизме дефицит взаимодействия может возникнуть, когда утрата среды обитания приводит к сокращению численности видов до уровня, ниже которого взаимодействие больше не поддерживается.
Например, многие растения могут избежать хищничества и травоядия от универсалистских животных, если живут в очень низкой плотности. В таких обстоятельствах низкая плотность партнеров, делающая маловероятной реальную встречу, может свести на нет потенциальные антагонистические взаимодействия.
Аналогичным образом, дефицит взаимодействия может также возникать в системах, где многие слабые взаимодействия поддерживаются ядром сильных взаимовыгодников (супергенералистов), что повышает их изобилие до уровня, превышающего тот, при котором слабое взаимодействие возникает стихийно.
Напротив, ослабление сильного позитивного взаимодействия между основными видами может привести к снижению численности вида, что приведет к потере повторяющихся слабых взаимодействий.
Утрата среды обитания
В меняющемся мире утрата среды обитания, изменение климата, сильная дефаунизация и вторжение экзотических видов являются основными факторами нынешнего кризиса биоразнообразия, последствия которого в значительной степени оцениваются путем количественной оценки утраты видов.
Здесь исследователи применили механическую модель, чтобы продемонстрировать, что вымирание взаимодействий можно отделить от вымирания видов, скорректировав концепцию совместного вымирания каскадов взаимодействующих видов как одной из основных форм утраты биоразнообразия.
Модель учёных показывает, что один из важнейших аспектов того, как потеря взаимодействия влияет на биоразнообразие, зависит от баланса между темпами утраты взаимодействия по отношению к утрате вида.
Это ожидается, например, когда виды "перевязывают" свои экологические звенья в отсутствие недостающих партнеров. Ситуации дефицита взаимодействия также являются частыми, поскольку они связаны с утратой функциональности видов, которая предшествует исчезновению видов.
Поэтому, хотя большинство предыдущих исследований парадигмы функционирования биоразнообразия и экосистем были сосредоточены исключительно на видовом богатстве, новый аналитический подход показывает актуальность рассмотрения видового баланса как важнейшего индикатора состояния экосистем.
Таким образом, акцент на здоровье биотических взаимодействий обеспечивает более глубокое, процессно-ориентированное понимание функциональных последствий биоразнообразия в меняющемся мире. Использование потерь взаимодействия в качестве сигналов раннего оповещения о критических переходных процессах необходимо для выявления и количественной оценки задолженности по вымиранию и позволит нам своевременно определить пороговые значения утраты местообитаний, от которых неизбежен крах экосистемных функций.