どの生物種が最も脆弱であるかを見極め、適切な保全策や政策を策定するために生態系を評価することは、困難な課題です。
MITの研究者らが、異なる生物種の相対的な脆弱性を順位付けするための、より予測的な評価手法をどのように考案したかを説明します。
この研究では、「期待感受性ランキング」と「固有ベクトルランキング」と呼ばれる2つの異なるアプローチを開発しました。これらは、あらゆる種類の生態系に幅広く適用可能です。
この新しい分析手法により、例えば、気候変動に対してより敏感な生物種や、漁獲枠の割合が最も高い生物種を特定することが可能になります。
山火事、洪水、汚染、乱獲は、生態系のバランスを変化させ、場合によっては種全体の将来を脅かす可能性のある多くの撹乱要因のうちの一部です。しかし、どの生物種が最も危機に瀕しているかを見極め、保全策や政策を最も必要とされる場所に集中させるために生態系を評価することは、困難な課題です。
こうした取り組みの多くは、生態系は基本的に平衡状態にあり、外部からの撹乱によって一時的な変化が生じても、最終的には平衡状態に戻るという前提に立っています。しかし、この前提では、生態系は多くの場合流動的な状態にあり、その構成要素の相対的な個体数が独自のタイムスケールで変動しているという現実が考慮されていません。今回、MITなどの研究者チームが、異なる生物種の相対的な脆弱性を順位付けし、そうでなければ見過ごされかねない絶滅の危機にある生物種を検出するために、これらのシステムをより予測的に評価する新たな方法を考案しました。
研究チームは、今日一般的に用いられている、個体数が最も少ない種や個体数の減少が最も急激な種（通常、現在用いられている基準）を危険性の高い種とする従来の順位付けの方法とは異なり、そうした種が必ずしも最も危機に瀕しているとは限らないことを明らかにしました。
今回の研究成果は、本日、学術誌『Ecology Letters』に掲載されました。論文はMITの土木環境工学科准教授Serguei Saavedra氏、最近博士課程を修了したLucas Medeiros氏（PhD ’22）ほか3名によるものです。
この新しい研究は、数十年前にEdward Lorenz氏が気象パターンを分析し、その分野に革命をもたらしたことと類似していると、Saavedra氏は述べています。Lorenz氏の研究は、わずかな撹乱が最終的に非常に大きな結果をもたらす可能性があることを示唆しました。これは、ある場所で蝶が羽ばたくことが、別の場所でハリケーンを引き起こす可能性がある、という考え方として有名です。「無限に近い初期条件であっても、一定期間にわたって大きく乖離し、その結果、予測不可能になることがあります」と同氏は述べています。こうした考えを踏まえ、「最も敏感な生物種を特定するために、同じ種類の視点を応用したらどうなるだろうか？」と考えたのです。
気象予報の一部の側面のように、科学者は現象の基礎となる物理学を理解し、ある程度まで、その動態を記述する方程式を作成することができる場合もあります。しかし、複雑な生態系の場合はそうではないと同氏は述べています。そこでは、単一の種であっても、その動態を支配する基礎方程式が存在せず、ましてや生態系全体については言うまでもありません。しかしこの10年ほどで、研究チームは数学的手法を開発し、十分な時系列データがあれば、「基礎となる方程式を知らなくても、動態を記述することができる」ようになったと同氏は述べています。
研究チームは、「期待感受性ランキング」と「固有ベクトルランキング」と呼ばれる2つの異なるアプローチを開発しました。どちらのアプローチも、大規模なシミュレーションデータを用いた検証で良好な結果を示し、シミュレーションモデルの基礎となる前提に照らして想定される順位と密接に一致する順位を導き出しました。
生物種の脆弱性を順位付けする従来の試みは、体の大きさ（大型の種ほど脆弱になる傾向がある）や個体数といった指標に焦点を当てる傾向があります。これらの指標は、多くの場合有用な目安となります。しかし、Saavedra氏が指摘するように、「これらの生物種は群集の中に組み込まれており、こうした群集は非線形の創発的挙動を持つため、ある場所の小さな変化が、システムの他の側面に、全く異なる形で完全に影響を及ぼす可能性があります」。
生態系内の生物種の個体数は、増減したり、周期的に変動したり、ランダムに、あるいは外的要因によって決定されたりすることがあります。このため、特定の撹乱が起こるタイミングによって大きな違いが生じる可能性があり、これは平衡モデルでは考慮されていない点です。「平衡動態に基づくアプローチは、生物種間の相互作用の影響を静的に捉えています」とMedeiros氏は述べています。「非平衡における個体数の変動下では、これらの相互作用の影響は時間とともに変化し、撹乱に対する特定の生物種の感受性に影響を与える可能性があります」。
例えば、夏には非常に活発だが冬には休眠状態となる生物種は、夏の山火事や熱波によって大きな影響を受ける可能性がある一方、撹乱が冬に発生した場合は全く影響を受けないことがあります。また、捕食者とその被食者の相互作用が1年の間で変化する場合、撹乱のタイミングによっては、ある季節では他の季節よりも大きな影響を与える可能性があります。
Saavedra氏によると、新しい分析手法は、海洋か陸上か、熱帯か北極圏かにかかわらず、あらゆる種類の生態系に幅広く適用可能です。実際、これらの計算式は非常に汎用性が高く、多くの相互作用があり、絶えず変動するシステムに適用した場合でも、研究者の一部はこれを金融市場の動態予測にも成功裏に応用しています。
「これらの手法は、非線形動態や、平衡から外れた動的システム全般に対して非常に汎用性が高いのです」とSaavedra氏は述べています。このグループでこれらの手法に取り組んでいた学生の一人はヘッジファンドに就職し、別の学生は海外の銀行で働くために在外研究を取得したとのことです。「彼は基本的にこれらの手法を応用することができ、それが機能していたのです」。
しかし、本研究の主要な目標は依然として生物種の脆弱性の評価にあり、すでにその成果は応用され始めています。例えば、本論文の筆頭著者であるMedeiros氏は、カリフォルニア大学サンタクルーズ校および米国海洋大気庁（NOAA）に所属し、これらの手法を漁業管理に応用しています。「特に漁業では、長期間にわたる個体数の増減を示す膨大なデータ系列があります」とSaavedra氏は述べています。同氏によると、こうしたデータを用いれば、今や「例えば気候変動や、最も高い漁獲枠の割合に対して最も敏感であるべき生物種を、正確に予測すること」が可能になっています。
研究チームには、現在シカゴ大学およびノースウェスタン大学に所属するStefano Allesina氏、現在フランスのモンペリエ大学に所属するVasilis Dakos氏、現在カリフォルニア大学サンディエゴ校に所属するGeorge Sugihara氏も参加しています。本研究は、MITのEnvironmental Solutions Initiative、Martin Family Society of Fellows for Sustainability、米国国防総省の環境研究開発プログラム、米国国立科学財団、米国内務省、およびMIT Sea Grant Programの支援を受けました。
