Метаанализ 423 исследований опроверг избыточность видов: в пресных водах порог — 4 вида

Человечество привыкло оценивать окружающую среду через практическую пользу. Леса удерживают углерод и стабилизируют состав воздуха, реки и озера очищают воду, насекомые опыляют сельскохозяйственные культуры, а хищные членистоногие сдерживают размножение вредителей. В науке эти процессы называют экосистемными функциями и услугами.

Долгое время в природоохранных спорах и экономическом планировании существовало устойчивое допущение: живая природа обладает функциональной избыточностью. Предполагалось, что многие виды выполняют одну и ту же работу. Если на лугу растет тридцать видов трав, а исчезнут пять, оставшиеся двадцать пять займут освободившееся пространство, поглотят те же минеральные вещества из почвы и дадут прежний объем биомассы. Логика казалась простой: природа создает многократные повторы одних и тех же свойств, а значит, экосистемы способны сохранять устойчивость даже при существенных биологических потерях.

Это допущение давало удобное обоснование для интенсивного освоения территорий. Считалось, что пока вымирание не затронуло абсолютно все звенья сообщества, базовые природные циклы продолжат работать в штатном режиме.

Международная группа исследователей под руководством эколога Эммы Моффетт опубликовала в журнале Nature Ecology & Evolution результаты масштабного метаанализа, который полностью опровергает эту точку зрения. Ученые собрали воедино данные полевых измерений за несколько десятилетий и выяснили: реальные природные сообщества практически не имеют свободных резервов. Каждый исчезнувший вид снижает эффективность процессов, от которых зависит жизнь человека на планете.

Объем данных и географический охват

Главная проблема прежних экологических выводов заключалась в узости исходных данных. Большинство классических теорий о роли биоразнообразия ученые проверяли на небольших экспериментальных участках площадью в один квадратный метр. Это были контролируемые грядки с искусственно высаженными смесями трав, расположенные преимущественно в Западной Европе (в частности, на исследовательских станциях в Германии и Великобритании) и в Северной Америке.

Маленький экспериментальный участок изолирован от внешних факторов. Он не отражает того, как устроена дикая природа на больших площадях, где между собой взаимодействуют тысячи организмов разного размера — от почвенных бактерий до крупных млекопитающих.

Группа Моффетт поставила задачу преодолеть эти ограничения. Ученые создали единую базу данных, объединившую 423 научных исследования со всего мира. В итоговую выборку вошли 1959 независимых массивов данных и более 222 тысяч конкретных измерений. В анализе сопоставили наземные биомы (леса, луга, саванны, тундры), пресноводные объекты (реки, озера, поймы), эстуарии и открытые морские акватории.

Это позволило не просто описать локальные наблюдения, а провести строгий статистический анализ и ответить на фундаментальный математический вопрос: как именно меняется отдача природных процессов при изменении числа видов?

Геометрия экосистем: почему природа не выходит на плато

Взаимосвязь между числом видов и стабильностью природных процессов можно описать графически. В теории эта кривая может принимать три основные формы:

• Логарифмическая форма (быстрое насыщение). На таком графике кривая резко идет вверх при добавлении первых нескольких видов, а затем ложится горизонтально, образуя ровное плато. Если природные процессы подчиняются этой формуле, то гипотеза избыточности верна: после достижения определенного минимума видов каждый последующий организм уже не приносит ощутимой пользы для работы системы в целом.
• Линейная форма. График представляет собой прямую наклонную линию. Каждое новое живое существо стабильно увеличивает производительность системы, а исчезновение любого организма пропорционально снижает ее отдачу.
• Квадратичная форма. График плавно изгибается, отражая более сложные взаимодействия, но продолжает стабильно расти на всем протяжении наблюдаемых значений.

Исследователи протестировали 23 категории экосистемных услуг и функций. Среди них были круговорот питательных веществ, образование биомассы растениями, поглощение углекислого газа, опыление, фильтрация пресной воды, защита почв от эрозии и регулирование численности вредных организмов.

Результат оказался однозначным: логарифмическая модель с быстрым выходом на плато оказалась лучшим описанием всего для двух категорий из двадцати трех.

Остальные 21 категория распределились между квадратичными (11 категорий) и строго линейными моделями (9 категорий).

Это означает, что в естественной среде практически не существует точки функционального насыщения. Природные сообщества устроены так, что каждый вид занимает уникальную нишу во времени и пространстве. Одно растение впитывает влагу ранней весной, другое развивает глубокую корневую систему в разгар летней засухи. Одно насекомое опыляет цветы в утренние часы при низкой температуре, другое активно только в сумерках. Они не заменяют друг друга, а дополняют. При сокращении видового богатства производительность всей системы падает сразу, без всякого периода задержки.

Различия сред: от речных перекатов к глубинам океана

Хотя общий закон работает повсеместно, порог чувствительности к потерям сильно различается в зависимости от среды обитания. Ученые рассчитали медианные значения насыщения — то есть минимальное количество видов, после которого прирост эффективности конкретной функции начинает замедляться.

• В пресных водах порог насыщения наступает быстрее всего — при медианном значении около 4 видов. Реки и ручьи представляют собой относительно простые экологические системы с небольшой площадью. Большинство обитающих там организмов обладают широким спектром питания. Несколько видов водных беспозвоночных и микробов способны полностью перерабатывать опадающую в воду листву и фильтровать органические взвеси.
• В наземных экосистемах порог насыщения сдвигается в среднем к 14 видам. Растительные сообщества суши более требовательны к разделению ресурсов: почвенных горизонтов, света и периодов вегетации.
• В морских экосистемах насыщение не наступает вплоть до медианного значения в 23 вида, а во многих процессах продолжается далеко за этими пределами.

Океан устроен сложнее суши. В морской среде цепочки питания длиннее, а взаимная зависимость организмов выражена сильнее. Кроме того, у морских обитателей крайне низка так называемая многофункциональность. Отдельно взятый вид планктона или донного моллюска хорошо выполняет только одну строго определенную операцию в общем круговороте веществ. Чтобы вся водная толща оставалась стабильной, требуется одновременное присутствие сотен специализированных форм жизни.

Океанический углерод против береговой защиты: парадокс эффектов

Чтобы выяснить, какие природные процессы острее всего реагируют на сокращение биоразнообразия, исследователи рассчитали стандартизированный размер эффекта (статистический показатель взаимосвязи величин).

Абсолютным лидером по чувствительности к видовому составу оказалось связывание углерода в океане. Размер эффекта здесь составил 1,48 единицы — это самое высокое значение среди всех изученных функций на планете. Для сравнения: большинство наземных процессов имеют показатели в диапазоне от 0,2 до 0,5.

Захоронение углерода на морском дне представляет собой сложную многоступенчатую последовательность биологических событий. Сначала одноклеточный фитопланктон в верхних освещенных слоях воды поглощает углекислый газ в процессе фотосинтеза. Затем эти микроводоросли поедает зоопланктон. Часть отмирающей биомассы перерабатывают морские бактерии, переводя ее в устойчивые органические соединения. Осаждающиеся частицы уплотняются, становятся тяжелыми и опускаются на глубину в несколько километров, где донные микроорганизмы и бентосные животные окончательно запечатывают этот углерод в осадочных породах на сотни и тысячи лет.

Если из этой цепочки выпадает хотя бы одна группа специализированных организмов, скорость переноса органического углерода на дно резко падает. В результате океан теряет способность охлаждать атмосферу, поглощая излишки парниковых газов.

На противоположном конце шкалы оказалась услуга по защите побережья от стихийных бедствий (гашение энергии штормовых волн, предотвращение размыва берегов и удержание песчаных кос). Здесь размер эффекта статистически не отличался от нуля.

В этом нет противоречия. Механическая защита берега определяется не общим числом видов, а присутствием конкретных видов-основателей. Чтобы укрепить песчаную дюну, достаточно корневой системы одного-двух специализированных видов злаков или кустарников. Добавление на эту дюну еще десяти видов трав, птиц или жуков не изменит физическую способность песчаного вала противостоять напору волн.

Однако авторы статьи подчеркивают важное разделение: хотя для механического барьера не нужно высокое видовое богатство, сами растения-основатели не могут существовать в стерильной обстановке. Чтобы эти кустарники росли, им требуются почвенные грибы, дождевые черви, опылители и бактерии, фиксирующие азот. Сохранить один ключевой вид в отрыве от остального сообщества невозможно.

Почему размер исследуемой территории меняет выводы

Один из важнейших результатов метаанализа касается масштаба измерений. Ученые разделили все данные по размеру площади, на которой велись наблюдения: от миниатюрных делянок в доли квадратного метра до обширных природных заповедников и речных бассейнов.

Статистическая обработка показала: чем больше площадь наблюдаемого участка, тем сильнее проявляется зависимость природных процессов от видового богатства (коэффициент влияния площади составил 210,26 при высочайшей статистической значимости).

Этот феномен объясняется пространственной сменой видового состава. На небольшом пятачке земли два близких вида растений действительно могут конкурировать за одну и ту же каплю воды и казаться дублерами. Но в масштабе всего ландшафта условия непрерывно меняются.

Один вид лучше растет на сухом песчаном склоне, другой — во влажной глинистой низине. В засушливый год основную работу по созданию биомассы берет на себя засухоустойчивый вид, а во влажный год — влаголюбивый. Чем больше территория, тем разнообразнее условия среды, и тем большее число видов требуется для того, чтобы поддерживать стабильную работу экосистемы при любых погодных колебаниях.

Именно поэтому наблюдательные полевые исследования дикой природы показывают более выраженную зависимость природных функций от разнообразия видов, чем опыты на искусственных грядках. Локальные эксперименты исключают пространственную неоднородность и тем самым сильно занижают ценность каждого живого организма.

Прогноз на 2050 год: естественная защита урожая и социальный раскол

Чтобы перевести экологические закономерности в плоскость прикладной экономики, авторы исследования смоделировали будущее одной из важнейших для выживания человечества функций — естественного биологического контроля сельскохозяйственных вредителей.

Эту работу в природе выполняют хищные и паразитические насекомые: жужелицы, божьи коровки, хищные клопы, пауки и наездники. Они уничтожают растительноядных насекомых (тлю, гусениц, саранчу), не позволяя им уничтожать посевы культурных растений.

Ученые сопоставили свои данные о влиянии биоразнообразия с глобальным индексом целостности биоразнообразия (BII) и официальными социально-экономическими сценариями Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC) до 2050 года.

Были сопоставлены два сценария развития цивилизации:

• Сценарий SSP2 («середина пути»). Человечество сохраняет текущие темпы развития, постепенно внедряет экологические технологии и умеренно регулирует использование природных ресурсов.
• Сценарий SSP5 (развитие на основе ископаемого топлива). Мировая экономика делает ставку на максимальную эксплуатацию углеводородов, экстенсивное расширение пахотных земель, вырубку лесов и ресурсоемкое сельское хозяйство.

Расчеты показали: при реализации сценария SSP5 способность природных экосистем контролировать численность вредителей резко снизится по всей планете. Утрата естественных местообитаний вокруг полей приведет к вымиранию диких насекомых-энтомофагов, в результате чего соотношение хищников и вредителей сместится в пользу последних.

Однако последствия этого экологического спада распределятся по миру предельно неравномерно. Авторы сопоставили модельные данные с индексом человеческого развития (ИЧР) различных государств:

• Страны с высоким уровнем развития (Западная Европа, Северная Америка). Падение природного контроля за вредителями здесь будет ощутимым, но не приведет к немедленному кризису. Высокодоходные экономики способны временно компенсировать отсутствие диких энтомофагов техническими средствами: закупкой дополнительных объемов химических пестицидов, переходом на закрытые тепличные комплексы и автоматизированным мониторингом полей.
• Страны с низким уровнем развития и быстрым ростом населения (Центральная и Восточная Африка, части Южной Америки и Юго-Восточной Азии). В этих регионах аграрный сектор почти полностью опирается на естественные природные процессы. У местных фермеров нет финансовых ресурсов для массовой закупки дорогостоящих агрохимикатов и оборудования.

Разрушение естественных сообществ хищных насекомых в развивающихся странах приведет к прямому и некомпенсируемому падению урожаев основных продовольственных культур. Экологический кризис в этих точках планеты автоматически трансформируется в проблему физической доступности продуктов питания для миллионов людей.

Практические выводы исследования

Результаты метаанализа группы Эммы Моффетт меняют требования к экологической политике. Они показывают несостоятельность двух распространенных подходов.

Во-первых, не оправдала себя стратегия защиты исключительно «полезных» или эстетически привлекательных видов. Невозможно сохранить высокую продуктивность пастбищ или связывание углерода в океане, заботясь лишь о нескольких заметных представителях флоры и фауны. Процессы регулирования климата, чистоты воды и плодородия опираются на весь комплекс живых организмов, подавляющее большинство которых микроскопичны или малозаметны.

Во-вторых, потеряла научное обоснование идея о существовании безопасного порога деградации природы. Не существует комфортного уровня, до которого человечество могло бы сокращать число видов на планете без ущерба для функционирования биосферы. Природные процессы реагируют на выпадение видов линейно: каждая потеря снижает качество среды обитания человека.

Сохранение биологического разнообразия больше нельзя рассматривать как благотворительность или гуманитарный жест. Это строгое технологическое требование к сохранению физических условий, в которых возможна стабильная работа глобального сельского хозяйства, снабжение чистой водой и регулирование мирового климата.

По материалам: iXBT