Meer dan vier decennia geleden begonnen veldecologen de diversiteit van bomen te kwantificeren op een bebost perceel op Barro Colorado Island in Panama, een van de meest intensief bestudeerde stukken bos ter wereld. Ze begonnen elke boom te tellen met een stam breder dan een centimeter. Ze identificeerden de soort, maten de stammen en berekenden de biomassa van elk individu. Ze zetten ladders in de bomen, onderzochten jonge boompjes en legden alles vast uitgestrekte rekenbladen.

Toen ze naar de gegevens keken die zich jaar na jaar verzamelden, begonnen ze er iets vreemds in op te merken. Met meer dan 300 soorten was de boomdiversiteit op het kleine eiland van 15 vierkante kilometer verbluffend. Maar de verdeling van bomen tussen die soorten was ook erg scheef, waarbij de meeste bomen tot slechts een paar soorten behoorden.

Sinds die vroege studies is dat overvolle, zeer ongelijke patroon herhaaldelijk waargenomen in ecosystemen over de hele wereld, met name in regenwouden. De ecoloog Stephan Hubbell van de University of California, Los Angeles, die deel uitmaakte van het team achter de Barro Colorado-enquêtes, schat dat minder dan 2% van de boomsoorten in het Amazonegebied de helft van alle individuele bomen vertegenwoordigt, wat betekent dat 98% van de soorten zijn zeldzaam.

Zo'n hoge biodiversiteit druist in tegen voorspellingen van een toonaangevende ecologietheorie, die zegt dat in een stabiel ecosysteem elke niche of rol door één soort moet worden ingenomen. Niche theorie suggereert dat er niet genoeg niches zijn om alle soorten die de ecologen zagen stabiel te laten bestaan. Concurrentie om niches tussen vergelijkbare soorten had de zeldzaamheden met uitsterven moeten doen uitsterven.

nieuwe ecologisch modelleerpapier in NATUUR by James O'Dwyer en Kenneth Jops van de Universiteit van Illinois verklaart Urbana-Champaign ten minste een deel van deze discrepantie. Ze ontdekten dat soorten die schijnbaar elkaars concurrenten zouden moeten zijn, een ecosysteem kunnen delen als details van hun levensgeschiedenis - zoals hoe lang ze leven en hoeveel nakomelingen ze hebben - op de juiste manier worden uitgelijnd. Hun werk helpt ook te verklaren waarom een ​​van de meest succesvolle manieren om ecologieën te modelleren vaak tot nauwkeurige resultaten komt, ook al verdoezelt het bijna alles wat we weten over hoe organismen functioneren.

In 2001 inspireerde de paradoxaal hoge biodiversiteit op Barro Colorado Island Hubbell voorstellen het baanbrekende neutrale theorie van de ecologie. De traditionele ecologietheorie benadrukte de concurrentie om niches tussen soorten. Maar Hubbell wees erop dat soorten er in die vergelijking misschien niet echt toe doen, omdat individuen in feite ook strijden om hulpbronnen met leden van hun eigen soort. Hij suggereerde dat patronen van diversiteit in ecosystemen grotendeels het product kunnen zijn van willekeurige processen.

Voor een theorie die over biodiversiteit ging, was de neutrale theorie van Hubbell schaars. Het negeerde variaties in levensduur, voedingskenmerken en andere details die de ene soort van de andere onderscheiden. In modellen gebaseerd op de theorie is elk individu in een theoretisch ecosysteem identiek. Zodra de klok begint, evolueert het ecosysteem stochastisch, waarbij individuen elkaar te slim af zijn en elkaar willekeurig vervangen. De theorie was volledig in tegenspraak met op soorten gebaseerde benaderingen van ecologie, en veroorzaakte een gepassioneerd debat onder ecologen omdat het zo contra-intuïtief leek.

Maar verrassend genoeg, naarmate de willekeurige wandelingen in de neutrale modellen vorderden, reproduceerden ze de belangrijkste kenmerken van wat Hubbell en zijn collega's zagen in hun gegevens van Barro Colorado Island en wat anderen elders hebben gezien. In deze modellering die bijna pervers geen verschillen erkent, zijn er flitsen van de echte wereld.

Die spanning tussen de modellen en de realiteit interesseert O'Dwyer al lang. Waarom leek de neutrale theorie zo goed te werken? Was er een manier om informatie binnen te halen over hoe soorten functioneren om resultaten te krijgen die er misschien nog realistischer uitzien?

Een van de dingen die neutrale modellen aantrekkelijk maken, zei O'Dwyer, is dat ze er echt zijn diepe universaliteiten tussen vele levende wezens. Hoewel diersoorten niet identiek zijn, zijn ze opmerkelijk vergelijkbaar op het niveau van bijvoorbeeld de bloedsomloop. Dezelfde cijfers over fysiologie duiken keer op keer op bij dieren en planten, wat misschien de beperkingen van hun gedeelde evolutionaire geschiedenis weerspiegelt. Volgens een principe dat de wet van Kleiber wordt genoemd, neemt bijvoorbeeld de stofwisseling van een dier over het algemeen toe met zijn grootte, schaalvergroting als een machtswet - dezelfde machtswet, ongeacht de soort. (Er zijn verschillende theorieën over waarom de wet van Kleiber waar is, maar het antwoord wordt nog steeds besproken.)

Gezien die tekenen van onderliggende orde, vroeg O'Dwyer zich af of sommige details van hoe organismen leven er meer toe doen dan andere om te bepalen hoe succesvol soorten zullen concurreren en overleven in de loop van de evolutie. Neem het metabolisme opnieuw: als een ecosysteem kan worden gezien als een uitdrukking van het metabolisme van zijn bewoners, dan zijn de afmetingen van de organismen speciale, significante getallen. De grootte van een individu kan nuttiger zijn bij het modelleren van zijn lot in de loop van de tijd dan een aantal andere details over zijn dieet of soortidentiteit.

O'Dwyer vroeg zich af of een van die cruciale, bevoorrechte factoren zou kunnen worden vastgelegd door levensgeschiedenis, een concept dat soortstatistieken combineert zoals het gemiddelde aantal nakomelingen, de tijd tot geslachtsrijpheid en levensduur. Stel je een perceel voor van 50 individuele planten. Elk heeft zijn eigen levensduur, zijn eigen voortplantingspatroon. Na drie maanden kan de ene plant 100 zaden produceren, terwijl een andere vergelijkbare plant 88 produceert. Misschien zal 80% van hun zaden ontkiemen en de volgende generatie voortbrengen, die zijn eigen versie van deze cyclus zal doorlopen. Zelfs binnen een soort zullen de aantallen individuele planten variëren, soms een beetje, soms veel, een fenomeen dat demografische ruis wordt genoemd. Als deze variatie willekeurig is, zoals de neutrale theorie van Hubbell, welke patronen zullen er dan ontstaan ​​over opeenvolgende generaties?

O'Dwyer wist dat hij iemand had gevonden die hem kon helpen die vraag te onderzoeken toen Jops als afgestudeerde student bij zijn lab kwam. Jops had eerder onderzocht of modellen met levensgeschiedenissen konden voorspellen of een kwetsbare plantensoort zou overleven of op uitsterven zou gaan. Samen begonnen ze de wiskunde uit te werken die zou beschrijven wat er gebeurt als levensgeschiedenis de concurrentie ontmoet.

In het model van Jops en O'Dwyer is, net als in neutrale modellen, stochasticiteit - de invloed van willekeurige factoren op deterministische interacties tussen de soorten - belangrijk. De levensgeschiedenissen van soorten kunnen de effecten van die willekeur echter versterken of verminderen. "Levensgeschiedenis is een soort lens waardoor demografische ruis werkt," zei O'Dwyer.

Toen de onderzoekers hun model in de loop van de tijd lieten evolueren en elk gesimuleerd individu op de proef stelden, ontdekten ze dat bepaalde soorten lange tijd naast elkaar konden blijven bestaan, ook al streden ze om dezelfde hulpbronnen. Toen Jops en O'Dwyer dieper in de cijfers keken voor een verklaring, ontdekten ze dat een complexe term genaamd effectieve populatiegrootte nuttig leek om een ​​soort complementariteit te beschrijven die tussen soorten zou kunnen bestaan. Het omvatte het feit dat een soort op een bepaald punt in zijn levenscyclus een hoge sterfte kan hebben, en vervolgens een lage sterfte op een ander punt, terwijl een complementaire soort op het eerste punt een lage sterfte kan hebben en op het tweede punt een hoge sterfte. Hoe meer deze term voor twee soorten op elkaar leek, hoe waarschijnlijker het was dat een paar naast elkaar kon leven ondanks strijd om ruimte en voedsel.

"Ze ervaren demografische ruis met dezelfde amplitude," zei O'Dwyer. "Dat is de sleutel voor hen om lang samen te leven."

De onderzoekers vroegen zich af of vergelijkbare patronen in de echte wereld de overhand hadden. Ze trokken op de COMPADRE-database, die details bevat over duizenden planten-, schimmel- en bacteriesoorten verzameld uit verschillende onderzoeken en bronnen, en ze richtten zich op meerjarige planten die allemaal samen leefden in dezelfde onderzoekspercelen. Ze ontdekten dat, zoals hun model had voorspeld, de plantensoorten die samen leefden een nauw overeenkomende levensgeschiedenis hadden: soortenparen die in hetzelfde ecosysteem leven, zijn over het algemeen meer complementair dan willekeurig getrokken paren.

De bevindingen suggereren manieren waarop soorten die niet noodzakelijkerwijs in directe concurrentie staan, goed naast elkaar zouden kunnen werken zonder een beroep te doen op verschillende niches, zei Annette Ostling, een professor in de biologie aan de Universiteit van Texas, Austin. "Het coolste is dat ze benadrukken dat deze ideeën ... kunnen worden uitgebreid tot soorten die behoorlijk verschillen maar complementair zijn", zei ze.

Naar Willem Kunin, een professor in ecologie aan de Universiteit van Leeds in Engeland, suggereert de paper één reden waarom de natuurlijke wereld, ondanks al zijn complexiteit, op een neutraal model kan lijken: ecologische processen kunnen elkaar opheffen, zodat wat lijkt zoals eindeloze variëteit een eenvoudig resultaat kan hebben, beschreef hij als 'opkomende neutraliteit'. Hubbell, van zijn kant, waardeert de uitbreiding van zijn oorspronkelijke werk. "Het biedt enkele gedachten over hoe neutrale modellen kunnen worden gegeneraliseerd, hoe ze kunnen worden aangepast om een ​​beetje soortverschillen in te voeren, uit te breiden en in te krimpen om te zien wat er gebeurt met diversiteit in een lokale gemeenschap," zei hij.

Dit is echter slechts een hap uit het probleem om te begrijpen hoe biodiversiteit ontstaat en waarom deze blijft bestaan. “In de ecologie worstelen we met de relatie tussen patroon en proces. Veel verschillende processen kunnen hetzelfde patroon produceren, "zei Ostling. O'Dwyer hoopt dat in de komende jaren meer gegevens over de echte wereld onderzoekers kunnen helpen onderscheiden of de effectieve populatiegrootte consistent coëxistentie kan verklaren.

Kunin hoopt dat de paper anderen zal inspireren om te blijven werken met ideeën uit de neutrale theorie. In een veld waar de unieke kwaliteiten van individuen, in plaats van hun overeenkomsten, lang de overhand hebben gehad, heeft neutrale theorie ecologen gedwongen om creatief te zijn. "Het heeft ons uit onze mentale sleur geschopt en ons aan het denken gezet over welke dingen er echt toe doen," zei hij.

Hubbell, die zoveel jaren geleden een neutrale theorie over ecologie ontketende, vraagt ​​zich af of echt immense datasets over echte bossen het soort detail kunnen opleveren dat nodig is om de relatie tussen levensgeschiedenis en biodiversiteit duidelijker te maken. "Dit is het soort voortbouwen op een neutrale theorie waarvan ik hoopte dat het zou gebeuren", zei hij over het nieuwe artikel. "Maar het is slechts een kleine stap in de richting van echt begrip van diversiteit."