هرج‌‌و‌مرج پنهان در طبیعت؛ چرا بی‌نظمی اکوسیستم‌ها فراتر از حد تصور است؟

به‌نظر می‌رسد دانشمندان پدیده‌ی هرج‌ومرج را همه‌جا پیدا می‌کنند: در مدار سیاره‌ها و سیستم‌های آب‌وهوایی و گرداب‌های کوچک و چرخان رودخانه‌ها. نزدیک به سه دهه است که بوم‌شناسان هرج‌ومرج را در دنیای زنده پدیده‌ای نادر می‌دانند. بااین‌حال، تحلیلی جدید نشان می‌دهد هرج‌ومرج در اکوسیستم‌ها بسیار رایج‌تر از حد تصور پژوهشگران است.

تانیا راجرز، بوم‌شناس دانشگاه کالیفرنیا سانتاکروز، در پژوهش‌های علمی به‌دنبال بررسی‌های مربوط به هرج‌و‌مرج در اکوسیستم‌ها بود که چیزی غیرمنتظره را کشف کرد: در ۲۵ سال گذشته هیچ‌کس تحلیلی کمّی از هرج‌ومرج ارائه نداده بود.

به‌هرحال، راجرز تصمیم گرفت خود این تحلیل کمّی را انجام دهد. او و همکارانش با تحلیل بیش از ۱۷۰ مجموعه‌ داده‌ی اکوسیستمی وابسته به زمان به این نتیجه رسیدند که هرج‌ومرج در یک‌سوم از آن‌ها وجود دارد. این آمار تقریباً سه برابر بیشتر از تخمین‌های پژوهش‌های گذشته است.

علاوه‌بر‌این، آنان متوجه شدند گروه‌های مشخصی از جانداران مثل پلانکتون‌ها و حشره‌ها و جلبک‌ها بیشتر از جانداران بزرگ‌تری مثل گرگ‌ها و پرنده‌ها درمعرض هرج‌ومرج قرار دارند. استفان مونش، بوم‌شناس تکاملی دانشگاه سانتا‌کروز و یکی از مؤلفان پژوهش، دراین‌باره می‌گوید: «این نتایج در هیچ‌کدام از پژوهش‌های پیشین منعکس نشده‌اند.»

براساس نتایج راجرز و همکارانش، برای محافظت از گونه‌های آسیب‌پذیر باید به‌دنبال ساخت مدل‌های جمعیتی پیچیده‌تری رفت و از آن‌ها به‌عنوان راهنمایی برای سیاست‌های محافظتی استفاده کرد.

ابزاری گرافیکی به نام نمودار لجستیکی به بوم‌شناسان دهه‌ی ۱۹۷۰ نشان داد که هرج‌ومرج می‌تواند زمینه‌ساز نوسان‌های جمعیتی گونه‌ها باشد؛ اما ده‌ها سال است که گونه‌ها شواهد اندکی از هرج‌ومرج واقعی را در تغییرات اکوسیستم‌ها نشان می‌دهند.

بوم‌شناسی اولین‌بار در قرن نوزدهم در دسته‌ی علوم رسمی قرار گرفت. براساس فرضیه‌ی رایج آن زمان، طبیعت مانند ساعتی مکانیکی و چرخ‌دنده‌ای تابع قوانین ساده و درک‌پذیر است. اگر دانشمندان بتوانند متغیرهای صحیح را اندازه‌گیری کنند، می‌توانند خروجی را پیش‌بینی کنند. برای مثال، باران بیشتر به‌معنی برداشت بهتر سیب است.

سیستم‌های پایدار در طول بازه‌ی زمانی بسیار طولانی تغییرات بسیار اندکی می‌کنند؛ درحالی‌که سیستم‌های تصادفی با نوسان‌های پیش‌بینی‌نشدنی روبه‌رو هستند. سیستمی آشفته یا پرهرج‌ومرج که واکنش‌ها یا رویدادهای غیرخطی بر آن حاکم هستند، ممکن است در بازه‌های کوتاه پیش‌بینی‌پذیر باشد؛ اما هرچه بیشتر پیش‌ برود، درمعرض تغییرات بسیار چشمگیری قرار می‌گیرد.

راجرز دراین‌باره می‌گوید: «اغلب اوقات آب‌وهوا را به‌عنوان نمونه‌ای از سیستمی آشفته در نظر می‌گیریم.» نسیم تابستانی بر‌فراز اقیانوسی آزاد شاید بر پیش‌بینی هوای فردا تأثیری نگذارد؛ اما از دیدگاه تئوری، می‌تواند تنها در چند هفته زمینه‌ساز گردبادی روی دریای کارائیب شود.

بوم‌شناسان کار با مفهوم هرج‌ومرج را از دهه‌ی ۱۹۷۰ شروع کردند. در آن زمان، زیست‌ریاضی‌دانی به نام رابرت می ابزاری تکاملی به نام نقشه‌ی لجستیکی را طراحی کرد. این نمودار شاخه‌ای که گاهی به‌دلیل ظاهرش با عنوان «نقشه‌ی تار عنکبوتی» هم شناخته می‌شود، ورود هرج‌ومرج به مدل‌های ساده‌ی رشد جمعیت و دیگر سیستم‌ها را به‌مرورزمان نشان می‌دهد.

ازآن‌‌جاکه بقای جانداران به‌شدت تحت‌تأثیر نیروهای آشفتگی مثل آب‌وهوا قرار می‌گیرد، به‌باور بوم‌شناسان، جمعیت گونه‌ها در طبیعت با نوسان‌های بی‌نظمی همراه است. نقشه‌های لجستیکی به‌سرعت در این زمینه فراگیر شدند؛ زیرا بوم‌شناسان نظری از آن‌ها برای توجیه نوسان‌های جمعیتی در جانورانی مثل ماهی سالمون و جلبک‌های عامل پدیده‌ی کشند سرخ استفاده می‌کردند.

در اوایل دهه‌ی ۱۹۹۰، بوم‌شناسان مجموعه‌‌داده‌های کافی سری زمانی را درباره‌ی جمعیت‌ گونه‌ها جمع‌آوری کردند و از توان محاسباتی کافی برای آزمایش این ایده‌ها برخوردار بودند. بااین‌حال، تنها یک مشکل وجود داشت: به‌نظر می‌رسید در این مجموعه‌ها هرج‌ومرجی وجود ندارد. از قرار معلوم تنها ۱۰ درصد از جمعیت‌های بررسی به‌طور‌نامنظم و بقیه‌ی جمعیت‌ها به‌طور‌ثابت تغییر یا به‌صورت تصادفی نوسان می‌کردند. نظریه‌های هرج‌ومرج اکوسیستم هم در اواسط دهه‌ی ۱۹۹۰ از مرکز توجه علمی خارج شدند.

نتایج جدید راجرز و مونش و بتانی جانسون، دیگر همکار ریاضی‌دان آن‌ها از سانتا‌کروز، نشان می‌دهند پژوهش‌های گذشته محل اختفای هرج‌ومرج را گم کردند. پژوهش‌های قبلی برای کشف هرج‌ومرج از مدل‌های یک‌بعدی استفاده کردند که اندازه‌ی جمعیت یکی از گونه‌ها در راستای زمان بود. آنان تغییرات متناظر در دنیای بی‌نظم واقعی مثل دما، نور خورشید، بارش باران و برهم‌کنش‌های تأثیرگذار بر جمعیت گونه‌ها را در نظر نگرفتند. مدل‌های یک‌بعدی آنان فقط تغییرات جمعیتی را محاسبه می‌کردند؛ اما دلیل این تغییرات را منعکس نمی‌کردند.

جمعیتی از جلبک‌های میکروسکوپی موسوم به دیاتم‌ها (بالا) گاهی به‌شکل انبوه در اقیانوس‌ها تکثیر می‌شوند که از‌قضا ردیاب‌شدنی هستند. این تصویر دریای چوکی بین سیبری و آلاسکا را نشان می‌دهد که ژوئن ۲۰۱۸، ماهواره‌ی لندست ۸ آن را ثبت کرده است.

ارون کینگ، استاد بوم‌شناسی و زیست تکاملی در دانشگاه میشیگان، معتقد است: «راجرز و مونش به شیوه‌ای معقول به جست‌وجوی بی‌نظمی رفتند.» آن‌ها با استفاده از سه الگوریتم پیچیده‌ ۱۷۲ سری زمانی جمعیت‌های جانداران مختلف را تحلیل کردند و آن‌ها را در قالب مدل‌هایی شش‌بعدی در نظر گرفتند.

بدین‌ترتیب، فضایی برای تأثیر احتمالی معیارهای محیطی تعریف‌نشده باز شد؛ بنابراین، آنان توانستند احتمال وقوع الگوهای هرج‌ومرج پنهان در نمایش تک‌بعدی تغییرات جمعیتی را بررسی کنند. برای مثال، بارش بیشتر معیار بی‌نظمی مرتبط با افزایش یا کاهش جمعیت است؛ اما ممکن است این نتیجه با چند سال تأخیر حاصل شود.

راجرز و جانسون و مونش در داده‌های جمعیتی مربوط به تقریباً ۳۴ درصد از گونه‌ها، آثاری از برهم‌کنش‌های غیرخطی را پیدا کردند که بسیار بی‌نظم‌تر از یافته‌های قبلی بودند. در اغلب این مجموعه‌های داده‌ای، تغییرات جمعیتی گونه‌ها در ابتدا بی‌نظم نبودند؛ بلکه این هرج‌ومرج در رابطه‌ی تعداد با معیارهای بنیادی دیده شد. آنان نمی‌توانستند دقیقاً بگویند کدام‌یک از معیارهای محیطی عامل هرج‌و مرج بودند؛ اما صرف‌نظر از اینکه عامل هرج‌ومرج چه بودند، آثارشان در داده‌ها موجود است.

پژوهشگران نیز رابطه‌ی معکوس بین اندازه‌ی بدن جاندار زنده و هرج‌ومرج در تغییرات جمعیتی آن را رونمایی کردند. دلیل این پدیده می‌تواند تفاوت در زمان نسل‌ها باشد؛ زیرا جانداران کوچک معمولاً در بازه‌های زمانی کوتاه‌تری تکثیر می‌شوند؛ درنتیجه، اغلب اوقات تحت‌تأثیر متغیرهای خارجی قرار دارند. برای مثال، جمعیت دیاتم‌ها با نسل‌های تقریباً پانزده‌ساعته هرج‌ومرج بیشتری درمقایسه‌با گروه گرگ‌هایی با نسل‌های پنج‌ساله نشان می‌دهند. بااین‌حال، این نتیجه لزوماً بدین‌معنی نیست که جمعیت گرگ‌ها ذاتاً پایدار است. مونش بر این باور است:

براساس یکی از احتمالات، شاهد هرج‌ومرج در این گروه‌ها نیستیم؛ زیرا داده‌های کافی برای بررسی بازه‌ی طولانی زمانی نداریم.

مفهوم کلاسیک هرج‌ومرج اساساً ایستا و برپایه‌ی این فرضیه بنا شده است که نوسان‌های پرهرج‌ومرج از هنجارهای پایدار و پیش‌بینی‌شدنی دور می‌شوند؛ اما با پیشرفت تغییرات اقلیمی، اغلب اکوسیستم‌های واقعی حتی در کوتاه‌‌مدت هم ناپایدار می‌شوند. بدین‌ترتیب، دانشمندان حتی با وجود ابعاد مختلف، باید درباره‌ی خط مبنای همیشه متغیر هوشیار باشند. بااین‌حال، درنظر‌گرفتن هرج‌ومرج گامی مهم برای مدل‌سازی دقیق است.

مونش نیز بر این باور است: «هرج‌ومرج پدیده‌ای بسیار هیجان‌انگیز است و می‌تواند کاملاً درمقابل پیش‌بینی‌هایمان درباره‌ی متغیرهای زیست‌بومی قرار بگیرد.»