Havets økologi på formel | Carlsbergfondet
Til projektoversigt

Havets økologi på formel

Årsskriftartikel 2020

Havets økosystemer består af mange arter som vekselvirker med hinanden. Fotos: Erik Selander

Havenes økosystemer påvirker klodens kulstofregnskab og dermed det globale klima ligesom de selv påvirkes af klimaet. Er det muligt at lave brugbare forudsigelser om dette komplicerede samspil ved hjælp af simple modeller, spørger professor Thomas Kiørboe, der modtog Carlsbergfondets Forskningspris i 2019.

Af Thomas Kiørboe, professor, ph.d., dr.scient., DTU AQUA, Danmarks Tekniske Universitet

Mens f.eks. vejrmodeller bygger på Newtons love og få velafprøvede ligninger, er økologiske modeller baseret på mange, usikre ligninger. Et økosystem består af mange arter der konkurrerer med hinanden og æder hinanden i et kompliceret netværk. Klassiske økologiske modeller beskriver arternes vekselvirkning med hinanden og med miljøet. Problemet er imidlertid at for hver art man inddrager i beskrivelsen, øges antallet af ligninger og parametre eksplosivt. Det er derfor umuligt for de klassiske økologiske modeller at omfatte økosystemers utrolige kompleksitet.

Kiselalger er den vigtigste gruppe fytoplankton i havet og står for næsten en fjerdedel af den globale primærproduktion. De er omgivet af en hård kiselskal, som beskytter dem mod græssere. Foto: Nina Lundholm

Essentielle træk og trade-offs

Vores tilgang til at udvikle modeller af marine økosystemer bygger på en anden synsvinkel. Vi bruger evolutionsbiologiske principper til at forstå dynamikken i økologiske systemer. I stedet for at beskrive de mange arter, beskriver vi individer der – på tværs af arter - er karakteriseret af nogle få essentielle træk (egenskaber), der hver især har miljøafhængige fordele og ulemper (trade-offs). Hvis man i en model blander individer med vilkårligt sammensatte egenskaber og lader dem vekselvirke, vil kun individer med de bedste træk-kombinationer overleve efter princippet ’survival of the fittest’. 

Økosystemets struktur opstår så at sige af sig selv (emergens), og det resulterende økosystem vil afhænge af den fysiske omverden. Vi bruger sådanne modeller til at forstå og forudsige havets ressourcer, stofkredsløb og følsomhed over for påvirkninger. Her er to nøglebegreber relevante: ’essentielle træk’ og ’trade-offs’. Et økosystems ’funktion’, dvs. dets evne til f.eks. at producere fisk eller til at fjerne CO2 fra atmosfæren, er en funktion af egenskaberne (trækkene) hos de organismer der udgør systemet. 

Essentielle træk er de få egenskaber der især bestemmer en organismes fitness, dvs. dens evne til at samle ressourcer, overleve og reproducere sig. Et eksempel på et essentielt træk er hvordan organismen ernærer sig ved dels fotosyntese, dels ved at spise andre organismer, eller ved begge dele. Enhver organisme kan tildeles en værdi for hvert af sådanne træk, altså i eksemplet i hvilken grad den lever af fotosyntese eller ved at æde andre organismer. Dette medfører naturligvis en voldsom forenkling, men vi ser helheder på bekostning af detaljer. Ligesom Picasso kan tegne en tyr med et enkelt pennestrøg, så er kunsten her at udvælge netop de få træk som fanger essensen af en organisme.

Stor kompleksitet med få egenskaber

Figur 1. Encellede planktonalger er havets grønne planter. De varierer mere end 1 mio. gange i størrelse: Små celler optager næring mere effektivt end store celler, men har til gengæld større risiko for at blive ædt af zooplankton.

Kan man beskrive et komplekst system med få træk? Farven på en computerskærm er dannet som en blanding af grundfarverne rød, grøn og blå. Hver farve har 256 intensiteter, og man kan derfor opnå 17 millioner forskellige farver (~arter) ved at kombinere blot 3 farver (~træk). Så, ja, man kan opnå stor kompleksitet med få egenskaber.

Der er indbyggede konflikter mellem organismers tre fundamentale aktiviteter: at æde, at overleve og at formere sig. Ingen organisme kan optimere alle funktioner samtidig, og ethvert essentielt træk har fordele og ulemper - det er trade-offs (se Figur 1–3). Evnen til at lave fotosyntese forsyner en plante med energi, men planten betaler ved at investere i kloroplaster. En fisk der leder efter føde, øger samtidig sin risiko for at blive ædt af rovdyr. Fordele og ulemper ved trækkene afhænger således af omverdensforhold, både den fysiske omverden (mængden af lys) og den biologiske omverden (mængde af bytte- og rovdyr).

STAY CURIOUS: Klimaforandringer ændrer på livet under havoverfladen

Figur 2. En vandloppe skaber en fødestrøm som tilfører fødepartikler (planktonalger), men den tiltrækker samtidig rovdyr. Mere effektiv fødestrøm betyder større risiko. De røde pile visualiserer den målte fødestrøm.

Modellering af mønstre er nu muligt

Vi kan ikke studere alle organismer i havet, så den teoretiske udfordring er ud fra observationer af et beskedent antal organismer at uddrage generelle principper for organismers vekselvirkninger med hinanden og med miljøet. 

Ved hjælp af teoretiske overvejelser og eksperimenter med repræsentative organismer kvantificerer vi trade-offs for de essentielle træk (se Figur 1–3). Og ved at forstå de underliggende fysiske mekanismer for vekselvirkninger kan vi generalisere de eksperimentelle resultater.

Vi er nu så langt at vi kan modellere overordnede mønstre i marine økosystemer

Vi kan teste vores modeller ved at sammenligne observerede med forudsagte fordelinger af ’træk’ i havet. Altså ser vi på hvordan organismer med bestemte træk er udbredt, og hvilke træk-kombinationer der karakteriserer et givet økosystem. Vi er nu så langt at vi kan modellere overordnede mønstre i marine økosystemer. 

Et eksempel er den globale fordeling af zooplankton-organismers størrelsesfordeling og fourageringsstrategi. To træk der er centrale for havets evne til at fjerne CO2 fra atmosfæren. Vi finder god overensstemmelse mellem det som vores modeller forudsiger, og det vi kan observere i naturen, men modellerne giver en mere komplet dækning end de mere sporadiske observationer.

Et økosystems ’funktion’, dvs. dets evne til f.eks. at producere fisk eller til at fjerne CO2 fra atmosfæren, er en funktion af egenskaberne (trækkene) hos de organismer der udgør systemet. Den trækbaserede måde at beskrive et økosystem på giver derfor umiddelbart indsigt i et økosystems funktion. Vi kan nu med nogen succes modellere marine økosystemers følsomhed over for forstyrrelser (forurening, fiskeri), havets evne til at producere fisk og dets kapacitet til at fjerne CO2 fra atmosfæren. 

Et eksempel på det sidste er en global model der viser hvorledes zooplanktons bidrag til reduktion af atmosfærens CO2-indhold markant har forskudt sig geografisk i løbet af de sidste 60 år. Sådanne mekanistisk funderede, træk-baserede modeller har potentialet til også at levere robuste forudsigelser, f.eks. til at beregne de økologiske konsekvenser af klimascenarier.

Figur 3. Encellede kiselalger er indesluttede i en hård kiselskal, som beskytter mod græsning. Når kiselalgerne lugter zooplankton øger de skaltykkelsen i forsvar (A), men de betaler med en lavere vækstrate (B).