Новая модель связывает правила жизни на микро- и макроуровне
Исследователи из Университета штата Мичиган и Института науки Карнеги разработали модель, которая связывает микроскопическую биологию с макроскопической экологией. Это может углубить понимание законов природы и открыть новые возможности в управлении экосистемами.
В журнале Science команда показала, как микроскопические взаимосвязи в планктоне — например, между размером организма и потреблением питательных веществ — масштабируются, чтобы предсказуемо влиять на пищевые сети.
"Используя микромасштабные данные, измеренные другими исследователями для этих организмов, наша модель может предсказывать, что происходит на уровне целых экосистем", — сказал Йонас Викман, первый автор статьи.
"Мы можем теперь показать, как правила жизни на низшем уровне проявляются на этих более высоких уровнях на основе экологических взаимодействий и эволюционных соображений", — добавила Елена Литчман. До сих пор эти уровни рассматривались преимущественно изолированно.
Отчёт позволит команде и коллегам разрабатывать новые эксперименты для проверки, уточнения и расширения модели на другие виды и экосистемы. В конечном итоге это может привести к тому, что модель будет информировать стратегии управления экосистемами в различных средах по всему миру.
Планктон как модель и глобальный игрок
Команда выбрала планктон в качестве модельной системы по нескольким причинам:
- Это относительно простые организмы.
- Они являются основным объектом исследований группы Литчман и Клаусмайера.
- Они имеют глобальное значение: отвечают примерно за половину первичной продукции на Земле и являются основой большинства водных пищевых сетей.
Первичные продуценты, такие как фитопланктон, преобразуют углерод и питательные вещества в полезные соединения. Таким образом, планктон играет ключевую роль в циклах жизненно важных элементов: углерода, азота и кислорода.
Модель, описывающая планктон, может быть полезна для лучшего понимания этих процессов и того, как они меняются с климатом. В этом исследовании переменные, связанные с климатом (например, температура), не учитывались, но следующие шаги будут направлены именно в эту сторону.
"Последствия глобального потепления могут изменить низкоуровневые физиологические процессы. Затем мы могли бы использовать эту структуру, чтобы увидеть, как эти эффекты проявляются на разных уровнях организации", — пояснила Литчман.
Суть и элегантность модели
Модель начиналась как чистая теория, но Литчман предположила, что её предсказания можно проверить с помощью существующих данных.
"Когда я увидела, насколько хорошо модель соответствует наблюдениям, у меня глаза на лоб полезли", — сказала она.
Предыдущие попытки связать микро- и макроуровни требовали компромиссов: одни модели жертвовали точностью ради простоты, другие — были чрезмерно сложны и неудобны.
"Наша модель включает реальные экологические и эволюционные механизмы, но достаточно проста в использовании", — отметил Викман.
Работа демонстрирует потенциал модели, объединяя её с реальными данными.
"Открытие, что закономерности, возникающие на макроэкологическом уровне, можно объяснить свойствами отдельных организмов на микроэкологическом уровне, столь же убедительно, сколь и элегантно", — сказал Стив Даджеон из NSF.
Модель и её результаты могут показаться "неаккуратными" по меркам физики из-за естественной изменчивости биологических систем, но Викман видит в этом потенциал.
"Мы достигли довольно хорошей точности для экологии. У нас, возможно, нет того же уровня теоретической элегантности, что у физики, но это просто означает, что у нас гораздо больше территории для исследований".