Apa yang Mendorong Ekosistem menuju Ketidakstabilan?
Mencoba menguraikan semua faktor yang memengaruhi perilaku komunitas ekologis yang kompleks bisa menjadi tugas yang menakutkan. Namun, peneliti MIT kini telah menunjukkan bahwa perilaku ekosistem ini dapat diprediksi hanya berdasarkan dua informasi: jumlah spesies dalam komunitas dan seberapa kuat mereka berinteraksi satu sama lain.
Dalam studi bakteri yang tumbuh di laboratorium, para peneliti dapat menentukan tiga keadaan komunitas ekologis, dan menghitung kondisi yang diperlukan bagi mereka untuk berpindah dari satu keadaan ke keadaan lainnya. Temuan ini memungkinkan para peneliti untuk membuat "diagram fase" untuk ekosistem , mirip dengan diagram yang digunakan fisikawan untuk menggambarkan kondisi yang mengontrol transisi air dari padat ke cair ke gas.
"Apa yang menakjubkan dan menakjubkan tentang diagram fase adalah bahwa ia merangkum banyak informasi dalam bentuk yang sangat sederhana," kata Jeff Gore, seorang profesor fisika di MIT. "Kita dapat melacak batas yang memprediksi hilangnya stabilitas dan timbulnya fluktuasi populasi ."
Gore adalah penulis senior studi tersebut, yang muncul hari ini di Science . Jiliang Hu, seorang mahasiswa pascasarjana MIT, adalah penulis utama makalah ini. Penulis lain termasuk Daniel Amor, mantan postdoc MIT; Matthieu Barbier, seorang peneliti di Institut Kesehatan Tanaman di Universitas Montpellier, Prancis; dan Guy Bunin, seorang profesor fisika di Institut Teknologi Israel.
Dinamika Populasi
Dinamika ekosistem alam sulit dipelajari karena meskipun para ilmuwan dapat melakukan pengamatan tentang bagaimana spesies berinteraksi satu sama lain, mereka biasanya tidak dapat melakukan eksperimen terkontrol di alam liar. Laboratorium Gore mengkhususkan diri dalam menggunakan mikroba seperti bakteri dan ragi untuk menganalisis interaksi antarspesies dengan cara yang terkendali, dengan harapan dapat mempelajari lebih lanjut tentang bagaimana ekosistem alami berperilaku.
Dalam beberapa tahun terakhir, labnya telah menunjukkan bagaimana perilaku kompetitif dan kooperatif memengaruhi populasi, dan telah mengidentifikasi tanda-tanda peringatan dini keruntuhan populasi. Selama waktu itu, labnya secara bertahap berkembang dari mempelajari satu atau dua spesies sekaligus hingga ekosistem skala yang lebih besar.
Saat mereka bekerja untuk mempelajari komunitas yang lebih besar, Gore menjadi tertarik untuk mencoba menguji beberapa prediksi yang telah dibuat oleh fisikawan teoretis mengenai dinamika ekosistem yang besar dan kompleks. Salah satu prediksi tersebut adalah bahwa ekosistem bergerak melalui fase stabilitas yang bervariasi berdasarkan jumlah spesies dalam komunitas dan tingkat interaksi antar spesies. Di bawah kerangka ini, jenis interaksi—predator, kompetitif, atau kooperatif—tidak menjadi masalah. Hanya kekuatan interaksi yang penting.
Untuk menguji prediksi itu, para peneliti menciptakan komunitas mulai dari dua hingga 48 spesies bakteri. Untuk setiap komunitas, para peneliti mengontrol jumlah spesies dengan membentuk komunitas sintetis yang berbeda dengan kumpulan spesies yang berbeda. Mereka juga mampu memperkuat interaksi antar spesies dengan meningkatkan jumlah makanan yang tersedia, yang menyebabkan populasi tumbuh lebih besar dan juga dapat menyebabkan perubahan lingkungan seperti peningkatan pengasaman.
"Untuk melihat transisi fase di lab, sangat penting untuk memiliki komunitas eksperimental di mana Anda dapat memutar kenop sendiri dan membuat pengukuran kuantitatif tentang apa yang terjadi," kata Gore.
Hasil manipulasi eksperimental ini menegaskan bahwa teori telah memprediksi dengan benar apa yang akan terjadi. Awalnya, setiap komunitas ada dalam fase yang disebut "keberadaan penuh yang stabil", di mana semua spesies hidup berdampingan tanpa mengganggu satu sama lain.
Ketika jumlah spesies atau interaksi di antara mereka meningkat, komunitas memasuki fase kedua, yang dikenal sebagai "koeksistensi parsial yang stabil." Pada fase ini, populasi tetap stabil, tetapi beberapa spesies punah. Komunitas secara keseluruhan tetap dalam keadaan stabil, artinya populasi kembali ke keadaan seimbang setelah beberapa spesies punah.
Akhirnya, ketika jumlah spesies atau kekuatan interaksi meningkat lebih jauh, komunitas memasuki fase ketiga, yang menampilkan fluktuasi populasi yang lebih dramatis. Ekosistem menjadi tidak stabil, yang berarti bahwa populasi terus berfluktuasi dari waktu ke waktu. Sementara beberapa kepunahan terjadi, ekosistem ini cenderung memiliki fraksi keseluruhan yang lebih besar dari spesies yang bertahan hidup.
Menambahkan lebih banyak spesies ke ekosistem menyebabkan ketidakstabilan dan fluktuasi besar dalam populasi. Kredit: William Lopes, Gore Lab.
Memprediksi perilaku
Dengan menggunakan data ini, para peneliti dapat menggambar diagram fase yang menggambarkan bagaimana ekosistem berubah hanya berdasarkan dua faktor: jumlah spesies dan kekuatan interaksi di antara mereka. Ini analog dengan bagaimana fisikawan mampu menggambarkan perubahan perilaku air hanya berdasarkan dua kondisi: suhu dan tekanan. Pengetahuan rinci tentang kecepatan dan posisi yang tepat dari setiap molekul air tidak diperlukan.
"Meskipun kami tidak dapat mengakses semua mekanisme dan parameter biologis dalam ekosistem yang kompleks, kami menunjukkan bahwa keragaman dan dinamikanya mungkin merupakan fenomena yang muncul yang dapat diprediksi hanya dari beberapa sifat agregat komunitas ekologis: ukuran kumpulan spesies dan statistik interaksi antarspesies, " kata Hu.
Pembuatan diagram fase semacam ini dapat membantu ahli ekologi membuat prediksi tentang apa yang mungkin terjadi di ekosistem alami seperti hutan, bahkan dengan informasi yang sangat sedikit, karena yang perlu mereka ketahui hanyalah jumlah spesies dan seberapa banyak mereka berinteraksi.
"Kami dapat membuat prediksi atau pernyataan tentang apa yang akan dilakukan komunitas, bahkan tanpa pengetahuan rinci tentang apa yang sedang terjadi," kata Gore. "Kami bahkan tidak tahu spesies mana yang membantu atau menyakiti spesies lain. Prediksi ini murni berdasarkan distribusi statistik dari interaksi dalam komunitas yang kompleks ini."
Para peneliti sekarang mempelajari bagaimana aliran spesies baru antara populasi yang terisolasi (mirip dengan ekosistem pulau) mempengaruhi dinamika populasi tersebut. Ini dapat membantu menjelaskan bagaimana pulau-pulau mampu mempertahankan keanekaragaman spesies bahkan ketika kepunahan terjadi.
Sumber: Jiliang Hu et al, Emergent phases of ecological diversity and dynamics mapped in microcosms, Science (2022). DOI: 10.1126/science.abm7841
