圣塔菲科学副主席:人类不在食物链顶端,仅仅处于前三分之一-集智俱乐部

Dunne 是圣塔菲研究所科学副主席,她从植物生态学开始,进而研究食物网。

导语

通过重建史前时代的食物网、分析其中人类和其他物种的互动,生态学家Jennifer Dunne 借助网络科学增进了对可持续发展的理解,找到了关于未来可持续发展的启示。

编译:集智俱乐部翻译组

来源:quantamagazine

原文题目:

She Finds Clues to Future Sustainability in Old Food Webs

文明的回溯:

人类与生态系统相互作用的历史

生态学家 Jennifer Dunne探索了生态系统中物种之间的互联网络。对于大多数生物而言,彼此间的联系就是捕食与被捕食关系,而对于人类来说,与其它物种则存在多种多样的联系方式。

在史密森国家动物园的一座长满草的山上,我遇到了 Dunne;这时一只狮子正抬着它的长满狮鬃的头仰望从天空飞过的直升飞机。如果说,我们人类在生物系统中非常不寻常,这就是鲜明的例证——在几代人以前,狮子还能猎杀我们;而今,孩子们已经可以躲在铁栏杆后面观看狮子了。

然而值得警醒的是,我们从未置身于这个全球的食物网之外。

Dunne 说:“生态学家倾向于在不包含人类的情况下研究生态系统,但是,人类无处不在并影响着一切。”当生物学家考虑人类因素时,会把人类视为导致气候变化的外部因素。然而纵观历史,我们已经被全球的食物网所包裹。

Dunne 是圣塔菲研究所科学副主席,她从植物生态学开始,进而研究食物网。通过对生态系统中的每一个物种及所需的食物进行精心分类Dunne 和同事构建了一个可以量化的食物网。在可视化的数据中,每一个置身于食物网中的物种都被表示成了一个节点;用节点之间的连边表示两个物种之间的捕食与被捕食关系。

那些节点(生物)并不一定要活在今日。Dunne 研究了数个史前时期的食物网,其中包括了一个出土于伯吉斯页岩的 5 亿年前的食物网。为了能在这些奇奇怪怪、老得不能在老的生物化石中找出那些生物的食物链,她和同事研究了已经石化的胃内容物和齿痕,并发现:寒武纪生物大爆发时的食物网和今日的食物网在结构上有相似之处。

当一些生物数量变得稀少或难以找到,那么在生态系统中它的生态价值就会降低;而在珍禽异兽的市场中,你反而会有更多的捕猎的理由。

2016年,Dunne 与合作者做出了第一篇全面且详细的包含了人类的食物网,这篇论文以数千年来居住在阿拉斯加Sanak Archipelago 群岛的阿留申人作为研究对象。此后,她和合作者们继续研究了从过去到现在,其他生态系统包含人类在内的食物网。Dunne 和她的一些生态学和考古学同事在建立这些食物网的同时,也开始集思广益地去探究人类与生态系统互相作用的历史。

论文题目:

Parasites Affect Food Web Structure Primarily through Increased Diversity and Complexity

论文地址:

https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.1001579

他们想到了一个新的网络,不再是食物网,而是人类用途网(human-use web)。他们的工作组从 2017 年的创建起,一同研究了 6 个工业化以前或者没有工业化的人类群体。研究者对人类与周围生物的互动方式进行了分类:制衣毛皮、建筑木材、医用草药等等。为了可视化他们的研究结果,研究者将一个文化中最常用到的五六个物种根据用途进行分类,并投射到了一个圆环上,这样的图示结果看起来想一个织得很厚密的捕梦网。

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捕梦网(Dreamcatcher)是北美奥吉布瓦人的文化中一种手工艺品,使用柳树来做框,中间编织著松散的网或蜘蛛网,可能搭配羽毛、串珠等装饰。奥吉布瓦人相信挂上捕梦网能够“捕捉”好梦,阻挡恶梦。| ©wikipedia

每一个被研究的人类群体都有着自己独特的故事。他们会遇到不同的生态系统和气候环境,也会养成不同的文化习俗。有的以打猎-采集为生;有的种植自己的食物;有的则饲养动物。比如古波利尼西亚人带着鸡、椰子和搭顺风车的老鼠等物种来到了波利尼西亚群岛。他们把自己的食物网通过小舟带到了定居地。有些人类群体选择比较灵活,而有的则对吃什么不吃什么有着顽固的观念。

文明的延续:

Jennifer Dunne访谈整理

通过梳理这些故事,Dunne 和她的研究小组希望能够借此去了解是什么让人类文明得以延续或被迫中断。Dunne 说:“这个研究过程非常新颖,以前没有人这样做过。” 以下是对 Dunne 的访谈,有经过编辑整合。

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Q:是否只需要找出一个地方的物种,并连接物种节点之间的边就能构建一个食物网?

如果简单来说,这就是食物网。尽可能的获取详尽的物种列表,并找出每个物种的食物是什么。理论上听起来很简单,但实际上很难做。

例如,陆栖生态系统中,我们通常对昆虫知之甚少。或者我们能获得当地物种的详细信息,但是除了“这个虫子吃植物”以外我们就对它的食谱一无所获了。

Q:在构建伯吉斯页岩的食物网时,得出的似乎是:生物吃那些周围的能吃得下嘴的食物?

是的,没错!在我参与的每一个古代食物网项目中,基本上都是要假设捕食关系。然后提出一个或多个证据作为注解。根据这些证据,我们确定一个可信度的级别。这样人们就更容易去重新评估和理解,它们是活的、会呼吸的数据库。我们并没有彻底的理解它们,只是重新呈现出来。

Q:给我们讲讲食物网络可视化吧,它看起来像分层蛋糕一样~

在这些食物网中,纵轴的具有生态上的意义,代表着营养级别。底部是生产者(比如,植物、藻类),生产者通过光合作用制造食物,这是第一营养层级。下一层是食草动物,它们食用生产者,这是第二营养层级。

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这个“蛋糕”记录的是威斯康星州一个湖中食物网。最低层是藻类(algae)位于第一营养层。其他生物位于较高的营养层级,依次是浮游生物(zooplankton)、昆虫(insects)、鱼类(fishes),这个层级取决于每个生物个体到初级生产者的单个食物链的平均长度。 | ©indico

对于食草动物以上的物种而言,研究者会沿着不同的食物链把它们连接到初级生产者,然后计算出平均值。举例来说,某个生物只吃食草动物,不吃植物。那么,它将位于第三层级,因为它距离初级生产者有两步的距离。但是许多生物是杂食性动物,它们既吃植物也吃食草动物。这意味着,这些物种跨越了不同的营养层级。所以,几乎所有食草动物以上的生物的营养层级都不是整数,比如2.5。

Q:在得到分层蛋糕以后能做些什么?这个分层能告诉我们什么?

基本上来说,这个形状提供了一个方法,让我们能描述生物系统的结构。当我们拥有这些数据的时候,我们就可以用吸引人的方式可视化它们,并针对其不同的属性进行评估。比如说,生态系统中有多少人赖以生存的物种,和这个系统中的其他消费者相比结果如何?

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Jennifer Dunne 在圣塔菲研究所的办公室内。她是圣塔菲研究所科学副主席。

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Q:那么你对人类在食物网中的位置了解多少?

人类是非常杂食的生物,因此,人类并不在食物链的顶端。根据我们所研究的少数几个生态系统,人类通常位于食物网的中上三分之一的位置。大家倾向于认为人类位于食物链的顶端,嗯,这是因为每个人确实处于他自己的食物链的顶端。但是因为从植物到顶层的肉食动物人类都吃,所以,人类最终会处在食物网的中间位置。

当然,这些活动都忽略了寄生虫和病毒。我们另外做了包含寄生虫的食物网,但那是另外一回事了。如果我们忽略寄生虫、病毒和携带的微生物群,现在的人类通常处于食物链的顶端。在过去,人类会被别的生物吃掉,但现在情况有所变化。

论文题目:

The roles and impacts of human hunter-gatherers in North Pacific marine food webs

论文地址:

https://www.nature.com/articles/srep21179

当然,人类也有通往其他物种的捷径。人类基本上与食物网上的其他 90% 的物种有两个分离度。用 Kevin Bacon 的话来说,人类会直接进食 25~50% 的生物,这样就能与其他所有的生物相关联。所以在两个连边内,我们可以到达任何地方。

Q:这会使得人类成为一个很特殊的物种么?

在我所看到的生态系统中,在吃方面,人类可以说是大嘴吃八方的老饕。我们吃的东西比其他所有生物都多。

在任何一个食物网中,大多数生物都吃特定的东西。绝大多数物种会吃十种甚至更少的食物。吃的类型越少,也就意味着要吃的量越多。如果用长尾分布来刻画这个规律,人类会在末端(吃的种类多)。从这一点来说,人类很特别。

当然,一个生态系统中,总会有这种老饕的存在。在 Sanak Aleut 海岸附近的食物网中这样的“人物”就有两位:人类和鳕鱼,鳕鱼能把任何东西都塞进嘴里咬上一口。

Q:可是,这并没有让我觉得很特别?

的确!我预计这种情况不会总发生。一个悬而未决的问题是,这种模式普遍么?我们看到的每一个生态系统都非常的不同,人类能接触到不同的物种。归根结底,人类才是吃货之王。

人类极其灵活,遍布世界各地,成功地入侵了不同的生态系统并且成为其中不可忽视的一员。这就是我们这个项目的意义所在——重新思考人类与各物种之间纷繁复杂的作用关系。

Q:现在的你们在做的新项目和以前的食物网有何不同?

食物网展示了生态系统中所有物种以及它们彼此之间的一种相互作用方式:进食。现在通过人类用途网(human-use web),我们把关注点集中在所有与人类有关的联系上。但这些联系不再仅仅是进食,而是扩展到了多种用途。

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这幅画展示了太平洋西北海岸的原始女性收集浆果的画面。这是人类与别的生物最古老、最简单的作用关系之一。图中的女性是特林吉特人(美洲土著)。Dunne 研究了努特卡人的这种作用。

这些相互作用可以很简单也可以很复杂。一个例子是来自加拿大太平洋西北海岸的努特卡人。(上面的特林吉特女性吃浆果图仅供参考,但研究的数据来自努特卡人)我们获得了人类、任何类型的浆果,以及他们之间的关系。这很简单:两个节点,一条连边。人类到森林里漫步,并采集浆果。

在同一个生态系统中,人类会吃鲸类。同样是两个节点,一条连边,却是完全不同的故事。如果人类想要成功的捉到、杀死并吃掉鲸类,需要许多物种参与的多种相互作用才能完成这一目标。你必须得做一只独木舟吧,这本身就是个复杂的麻烦事——你必须用到 12 种不同的植物和 10 种不同的动物;必须做所有划独木舟要用的东西,比如气囊;还得要做长毛和保护的衣服;努特卡人通过举行仪式来祈求狩猎成功,他们要把鲸拖回岸边,分割成块;然后,还得举行更多的仪式。他们可能会用不同的方式储备鲸肉和鲸脂,不过也没准儿。

这可能是最复杂的互动形式,但还有许许多多的事情都是这样的。

Q:通过这个分析,你能得到什么见解?

这提供了一种以人类为中心的物种互动数据,这使得我们能够接触到一系列有趣的生态、文化和社会生态问题。我希望这能给我们提供一种思考可持续性的新方法。我们正在研究会带来糟糕结果的环境系统,比如物种减少、环境退化、人类文明陷入混乱或崩溃。这不就是在学习现在以及未来的可持续性的教训吗?

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当地艺术家 Michael Schippling 创作的能动的雕塑作品。这个作品挂在 Dunne 的办公室内,Dunne 认为这是展示复杂系统的创造性的例子。(复杂性是圣达菲研究所的主要研究主题)同事,也是在提醒人们,人类与自然界中的其他成分的错综复杂的网络关系。

我们工作组的一名研究员,圣达菲研究所和犹他州立大学的 Stefani Crabtree 和她的同事最近写了一个例子:在澳大利亚西部沙漠中,Martu 人作为该生态系统的一部分已有数万年之久,没有 Martu 人就没有当地的生态系统,但是澳方政府决定把他们赶出那片土地。Martu 人会为了捕捉大型蜥蜴而放一把小规模的火。一旦这些人离开了那片土地,生态系统就被破坏了。会看到小型哺乳动物的灭绝;会发现因为没有人把草地烧成分隔斑驳的区块,大规模的野火在草原燃烧。所以,Martu 人重新回到了那片土地,并开始传统的燃烧行为,生态系统终于得以恢复稳定。

论文题目:

Subsistence Transitions and the Simplification of Ecological Networks in the Western Desert of Australia

论文地址:

https://link.springer.com/article/10.1007/s10745-019-0053-z

但是, 7000 年前进入阿留申群岛的阿留申人并没有造成什么明显的破坏。也没有发现的短期或长期的物种灭绝。他们成功地融入了当地的生态系统,并成为了其中的一部分。

Q:那是什么让一个生态系统没有延续 7000 年,而是崩溃了呢?

阿留申人作为高度的杂食性物种,本来是极具潜在破坏力的物种。他们带来了狩猎技术,这种技术让人类获取食物的速度比你所想象的同体型的生物更快。无所不吃的杂食物种、具备狩猎能力、还能在不破坏生态环境的前提下进入这个生态系统,这也是人类的能力。

原因之一就是,他们像其他的“口无禁忌”的杂食生物一样进食。人类可以并且确实做到了轮换狩猎(prey switching)。这样的生物可以在一个系统中吃很多的生物,但是在特定的时间内,人类的食物选择范围比较固定。阿留申人更喜欢捕猎海狮,但大多数时候他们却做不到。因为糟糕的天气,他们无法开动皮艇,所以会去潮间带采集食物。他们首先会采集大而多汁的东西,当鲑鱼来了的时候,他们会放下其他事情,去捕捉鲑鱼。因此他们的食物一直在轮换。

轮换狩猎一个效果就是允许以前被捕捉的物种得以恢复。从动力学模型中我们得知,这一点能稳定物种的共存和持续发展。

阿留申人没有一直利用他们所有的捕猎技术。他们有很高超的技术去打造皮艇和捕捉还是。但多数时候他们没有这样做,他们只是在采集。

Q:今天,人类有使用类似于轮换狩猎的技术么?

有一个反面的例子,我常常用金枪鱼举例子。国际上,寿司市场对蓝鳍金枪鱼的需求非常高,因此它们会被商业化捕捞。随着它们变得越来越稀少,也就变越来越贵。

你看,这是反常的反生态动力学的例子。 当一些东西数量变得稀少或难以找到,那么在生态系统中它的生态价值就会降低。因为捕捉工作会消耗大量的卡路里,或者捕捉工作太危险。而在珍禽异兽的市场中,你反而会有更多的捕猎的理由。因为它会越来越值钱,一条蓝鳍金枪鱼刚刚创纪录地卖到300多万美元。

这样,对蓝旗金枪鱼很不利,对吧?而且,给整个生态系统也带来了不好的力量。带来了不稳定因素,不仅仅对于蓝鳍金枪鱼是这样,对整个包含蓝鳍金枪鱼的食物网络也是这样。

这就是做食物网络(相互作用)研究工作的一部分。你抓住一个节点,就能拉扯出一个作用关系,这不仅仅是影响某个物种,也常常以意想不到的方式波动整个生态系统。

扩展阅读:

  • Intraguild predation enhances biodiversity and ecosystem functioning in complex food webs

    • https://esajournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/ecy.2616

  • fluxweb: a R package to easily estimate energy fluxes in food webs

    • https://besjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1111/2041-210X.13109

翻译:Leo

审校:李周园

编辑:王怡蔺

原文地址:

https://www.quantamagazine.org/with-food-webs-jennifer-dunne-puts-humans-back-into-ecology-20190321/

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