Введение
Разнообразие видов и генов в экологических сообществах влияет на функционирование этих сообществ. Эти экологические последствия биоразнообразия, в свою очередь, испытывают воздействие как изменения климата, вызванные усилением парникового эффекта, аэрозолями и утратой наземного покрова, так и само биоразнообразие, что приводит к стремительной потере видов и вымиранию видов и локальных популяций. Современный темп вымирания иногда рассматривается как массовое вымирание, при котором текущие темпы вымирания видов в 100–1000 раз превышают исторические. Две основные области изучения влияния биоразнообразия на функционирование экосистем – это взаимосвязь между разнообразием и продуктивностью, а также взаимосвязь между разнообразием и стабильностью сообществ. Более биологически разнообразные сообщества, как представляется, более продуктивны (с точки зрения производства биомассы), чем менее разнообразные, и проявляют большую стабильность при воздействии внешних факторов. Кроме того, животные, обитающие на определенной территории, могут изменять условия существования, учитывая факторы, обусловленные климатом.
Определения
Чтобы понять, какое влияние изменения биоразнообразия окажут на функционирование экосистем, важно определить некоторые термины. Биоразнообразие нелегко определить, но его можно понимать как число и/или равномерность генов, видов и экосистем в регионе. Это определение включает генетическое разнообразие, то есть разнообразие генов внутри вида, видовое разнообразие, то есть разнообразие видов в среде обитания или регионе, и разнообразие экосистем, то есть разнообразие сред обитания в регионе. Два показателя, которые обычно измеряются применительно к изменениям в разнообразии, – это продуктивность и стабильность. Продуктивность является мерой функционирования экосистемы. Обычно её измеряют, определяя общую надземную биомассу всех растений на определенной площади. Многие считают, что её можно использовать как общий индикатор функционирования экосистемы, и что общее использование ресурсов и другие показатели функционирования экосистемы коррелируют с продуктивностью. Стабильность гораздо сложнее определить, но в целом её можно рассматривать в двух аспектах. Общая стабильность популяции – это показатель, который предполагает, что стабильность выше, если вероятность вымирания ниже. Этот вид стабильности обычно измеряется путем оценки изменчивости агрегированных характеристик сообщества, таких как общая биомасса, во времени. Другое определение стабильности – это мера устойчивости и сопротивляемости, когда экосистема, которая быстро возвращается к равновесию после воздействия или сопротивляется инвазии, считается более стабильной, чем та, которая этого не делает.
Производительность и стабильность как показатели здоровья экосистемы
Важность стабильности в экологии сообществ очевидна. Нестабильная экосистема с большей вероятностью потеряет виды. Таким образом, если связь между разнообразием и стабильностью действительно существует, то потеря разнообразия, вероятно, будет усиливаться, приводя к ещё большим потерям видов. Производительность, напротив, имеет менее однозначное значение в экологии сообществ. В хозяйственно освоенных территориях, таких как пахотные земли, и в районах, где разводят или добывают животных, повышение производительности увеличивает экономическую эффективность территории и подразумевает более рациональное использование ресурсов, что может обеспечить их долгосрочную устойчивость. Значение производительности в естественных экосистемах установить сложнее. Помимо роли биоразнообразия в регулировании и стабилизации экосистемных процессов, потеря разнообразия в отдельных экосистемах и в мире в целом имеет прямые экономические последствия. Исчезновение видов означает потерю потенциальных источников пищи, лекарств, промышленных материалов и туристических возможностей, что напрямую влияет на благосостояние людей.
Влияние на производительность труда
Сосуществование видов растений считается результатом разделения экологических ниш, или различий в потребностях в ресурсах между видами. Взаимодополняемость предполагает, что более разнообразное растительное сообщество должно быть способно более полно использовать ресурсы и, следовательно, быть более продуктивным. Этот механизм, также называемый нишевой дифференциацией, является центральным принципом в функционально-групповом подходе, который разделяет разнообразие видов на функциональные компоненты. Облегчение (фасилитация) – это механизм, посредством которого определенные виды помогают или позволяют другим видам расти, изменяя окружающую среду в благоприятном для сосуществующих видов направлении. Растения могут взаимодействовать через посредников, таких как азот, вода, температура, пространство или взаимодействия с сорняками или травоядными животными. Примеры облегчения включают крупные многолетние растения пустынь, выполняющие роль «кормилиц», способствуя приживаемости молодых особей других видов за счет снижения водного и температурного стресса, а также обогащение питательными веществами азотфиксирующими растениями, такими как бобовые. Эффект выборки (эффект отбора) Разнообразие может приводить к эффекту выборки, заключающемуся в большей вероятности включения в участок с более высоким разнообразием вида с наибольшей потенциальной продуктивностью. Это обеспечивает эффект состава на продуктивность, а не прямое влияние разнообразия. Однако эффект выборки может представлять собой комбинацию различных эффектов. Эффект выборки можно разделить на более высокую вероятность выбора вида, который 1) хорошо адаптирован к конкретным условиям участка, или 2) обладает большей потенциальной продуктивностью. Кроме того, к эффекту выборки можно добавить большую вероятность включения 3) пары видов, которые сильно взаимодополняют друг друга, или 4) определенного вида, оказывающего значительное облегчающее воздействие на другие члены сообщества.
Обзор данных
Полевые эксперименты, направленные на изучение влияния разнообразия на продуктивность сообществ, демонстрируют неоднозначные результаты, однако многие долгосрочные исследования в луговых экосистемах показали, что разнообразие действительно способствует повышению продуктивности экосистем. Подтверждение этой взаимосвязи также получено в лабораторных микрокосмах лугов. Расхождения в результатах различных исследований могут быть частично связаны с использованием образцов с одинаковым видовым разнообразием, а не с разнообразием, отражающим реальные условия в природе. Эксперимент 2006 года, в котором для образцов лугов использовались реалистичные вариации видового состава, выявил положительную корреляцию между увеличением разнообразия и ростом продуктивности. Другие исследования указывают на то, что время после нарушения и несущая способность среды обитания могут обуславливать различные взаимосвязи. Каждый экологический контекст должен приводить не только к различным взаимосвязям, но и к разному вкладу в эти взаимосвязи, обусловленному как разнообразием, так и видовым составом. Современный научный консенсус, по крайней мере, заключается в том, что определенные комбинации видов обеспечивают повышение продуктивности сообщества.
Будущие исследования
Чтобы правильно определить последствия разнообразия для продуктивности и других экосистемных процессов, необходимо многое. Прежде всего, ученым следует прекратить поиск единой закономерности. Модели, данные и теория уже сейчас показывают, что не существует единого всеобъемлющего эффекта разнообразия на продуктивность. Ученые должны стремиться количественно оценить разницу между эффектом состава и эффектом разнообразия, поскольку многие эксперименты не оценивают фактическое реализованное разнообразие видов (а лишь подсчитывают количество посаженных семян) и смешивают эффект выборки для фасилитаторов (фактор состава) с эффектом разнообразия. Следует использовать относительные показатели избыточной продуктивности (то есть, насколько больше растет вид в смеси с другими, чем в монокультуре), а не абсолютные, поскольку относительная избыточная продуктивность может дать представление о механизмах, посредством которых разнообразие влияет на продуктивность. Однако, если экспериментальные протоколы неполны, можно выявить наличие комплементарного или фасилитативного эффекта в эксперименте, но не установить его причину. Экспериментаторы должны четко понимать цель своего исследования – предназначено ли оно для изучения естественных или управляемых экосистем, поскольку эффект выборки может быть реальным эффектом разнообразия только в естественных экосистемах (управляемые экосистемы создаются для максимальной комплементарности и фасилитации, независимо от числа видов). Исходя из этого, они должны выбирать подходящие пространственные и временные масштабы для эксперимента. Наконец, для разрешения дебатов о функции разнообразия рекомендуется проводить эксперименты с высокой пространственной и ресурсной гетерогенностью и временными колебаниями условий окружающей среды, поскольку такие эксперименты должны более наглядно демонстрировать связь между функцией разнообразия. Этот эффект является следствием конкуренции, поскольку высококонкурентные виды будут проявлять отрицательную ковариацию. Страховой эффект: если экосистема содержит больше видов, то в ней с большей вероятностью будут присутствовать избыточные стабилизирующие виды, а также больше видов, реагирующих на возмущения различными способами. Это повышает способность экосистемы смягчать последствия возмущений. Сопротивление инвазии: разнообразные сообщества могут использовать ресурсы более полно, чем простые сообщества, благодаря комплементарному эффекту разнообразия. Таким образом, инвазионные виды могут иметь меньший успех в разнообразных экосистемах, или снижается вероятность того, что инвазионный вид привнесет в разнообразную экосистему новое свойство или процесс. Сопротивление болезням: уменьшение числа конкурирующих видов растений может привести к увеличению численности других видов, что способствует распространению болезней этих видов.
Обзор данных о временной стабильности
Модели предсказывают, что эмпирические зависимости между временными изменениями продуктивности сообщества и видовым разнообразием действительно существуют и практически неизбежны. Некоторые данные о временной стабильности можно почти полностью объяснить эффектом усреднения, используя нулевые модели для проверки этих данных. Корреляция между разнообразием и заболеваемостью также не является сильной, хотя теория и данные, похоже, подтверждают её.
Теория и предварительные эффекты изучения пищевых сетей
Одна из основных проблем в дебатах о связи разнообразия с продуктивностью и стабильностью, которые мы обсуждали до сих пор, заключается в том, что обе они фокусируются на взаимодействиях только на одном трофическом уровне. То есть, они рассматривают лишь один уровень пищевой сети – растения. Другие исследования, не изучающие влияние разнообразия, показали сильное нисходящее регулирование экосистем (см. ключевые виды). Фактических данных о влиянии различных пищевых сетей крайне мало, но теория может помочь нам в этом вопросе. Во-первых, если в экосистеме пищевая сеть характеризуется множеством слабых взаимодействий между видами, то популяции должны быть более стабильными, а сообщество в целом – более устойчивым. Наконец, недавно было показано, что консументы могут существенно изменить взаимосвязь между биоразнообразием, продуктивностью и стабильностью, которая наблюдается при рассмотрении только растений. Таким образом, в будущем будет важно интегрировать теорию пищевых сетей в исследования последствий биоразнообразия. Кроме того, эту сложность необходимо учитывать при разработке планов управления биоразнообразием.