MITの研究者らは、複雑な生態コミュニティの振る舞いが、2つの情報から予測できることを示した。
研究室で培養した細菌を用いた研究で、研究者らは生態コミュニティの3つの状態を定義し、生態系の「相図」を作成した。
このような相図の作成は、生態学者が自然の生態系で何が起きているかを予測する助けとなる可能性がある。
複雑な生態コミュニティの振る舞いに影響を与えるすべての要因を解明するのは、容易ではない。しかしMITの研究者らは今回、生態系の振る舞いが、コミュニティ内の種の数と、それらがどの程度強く相互作用するかという、わずか2つの情報から予測できることを示した。
研究室で培養した細菌を用いた研究で、研究者らは生態コミュニティの3つの状態を定義し、ある状態から別の状態へ移るために必要な条件を算出した。こうした知見をもとに、生態系の「相図」を作成した。これは、物理学者が水が固体から液体、気体へと変化する条件を示すために使う図に似ている。
「相図の素晴らしいところは、膨大な情報を非常にシンプルな形にまとめられることです」と、MITの物理学教授ジェフ・ゴアは言う。「安定性が失われ、個体群の変動が始まる境界を描き出すことができます」
ゴアは、この研究の責任著者であり、この研究は本日、Science誌に掲載された。MIT大学院生のフー・ジーリャンが論文の筆頭著者である。その他の著者には、元MIT博士研究員のダニエル・アモール、フランスのモンペリエ大学植物健康研究所の研究者マチュー・バルビエ、イスラエル工科大学の物理学教授ガイ・ブニンが名を連ねる。
個体群動態
自然生態系の動態を研究するのは難しい。科学者は種同士の相互作用を観察できる一方で、通常、野外で対照実験を行うことはできないからだ。ゴアの研究室では、細菌や酵母などの微生物を使い、種間相互作用を制御された条件下で分析し、自然生態系の振る舞いをより深く理解することを目指している。
近年、ゴアの研究室は、競争的な行動と協調的な行動が個体群に及ぼす影響を明らかにし、個体群崩壊の早期警戒サインを特定してきた。その間、研究室では一度に1、2種を調べる研究から、より大規模な生態系の研究へと段階的に規模を広げてきた。
より大きなコミュニティの研究に取り組むようになるにつれ、ゴアは、理論物理学者が大規模で複雑な生態系の動態について立てた予測の一部を検証したいと考えるようになった。その予測の一つは、コミュニティ内の種の数と種間相互作用の程度に応じて、生態系は安定性の異なる段階を移行するというものだった。この枠組みでは、相互作用の種類が捕食、競争、協調のいずれであるかは問題ではない。重要なのは相互作用の強さだけだ。
この予測を検証するため、研究者らは2種から48種の細菌からなるコミュニティを作った。各コミュニティでは、種の組み合わせが異なる合成コミュニティを形成することで、種の数を調整した。また、利用できる餌の量を増やすことで種間相互作用を強めることもできた。餌の増加は個体群を大きくし、酸性化の進行など、環境の変化を引き起こすこともある。
「研究室で相転移を観察するには、実験コミュニティの条件を自分たちで調整し、何が起きているかを定量的に測定できることが本当に必要です」とゴアは言う。
こうした実験操作の結果は、理論が現象を正しく予測していたことを裏付けた。当初、各コミュニティは「安定した完全共存」と呼ばれる段階にあり、すべての種が互いに干渉せず共存していた。
種の数、または種間相互作用が増えると、コミュニティは「安定した部分共存」と呼ばれる第2段階に入った。この段階では個体群は安定しているものの、一部の種は絶滅した。一部の種が絶滅した後も、個体群が平衡状態に戻ることを意味する安定状態を、コミュニティ全体は保っていた。
さらに種の数や相互作用の強さが増すと、コミュニティは個体群の変動がより激しくなる第3段階に入った。生態系は不安定になり、個体群が時間とともに継続的に変動するようになった。一部の種は絶滅したものの、こうした生態系では、生き残る種の全体に占める割合がより大きい傾向があった。
振る舞いの予測
このデータを用いて研究者らは、種の数と種間相互作用の強さという2つの要因だけをもとに、生態系がどのように変化するかを示す相図を作成できた。これは、物理学者が温度と圧力という2つの条件だけをもとに水の振る舞いの変化を説明できることに似ている。水分子一つひとつの正確な速度や位置を詳しく知る必要はない。
「複雑な生態系におけるすべての生物学的メカニズムやパラメーターを把握できなくても、生態コミュニティのいくつかの集約的な特性、すなわち種プールの大きさと種間相互作用の統計から、その多様性や動態が創発現象として予測できる可能性を示しました」とフーは言う。
このような相図を作成すれば、森林などの自然生態系で何が起きているかを、生態学者がごく限られた情報から予測できるようになる可能性がある。必要なのは、種の数と、それらがどの程度相互作用するかを知ることだけだからだ。
「何が起きているかを詳しく知らなくても、コミュニティがどう振る舞うかを予測したり、述べたりすることができます」とゴアは言う。「どの種が、ほかのどの種を助けたり害したりしているのかさえ分かりません。こうした予測は、この複雑なコミュニティにおける相互作用の統計的分布だけをもとにしています」
研究者らは現在、島の生態系に似た、互いに隔離された個体群の間で新たな種が移動することが、個体群の動態にどのような影響を与えるかを研究している。この研究は、絶滅が起きても島が種の多様性を維持できる仕組みの解明に役立つ可能性がある。
この研究は、アルフレッド・P・スローン財団、シュミット・ポリマス賞、イスラエル科学財団から一部資金提供を受けた。
