Anne Salomon első hete 2001-ben végzős hallgatóként nem olyan volt, mint amire számított. Míg más új hallgatók a bevezető előadásokra indultak, Salomont kisteherautóval, majd motorcsónakkal vitték a Tatoosh-szigetre, amely a washingtoni olimpiai félsziget északnyugati csücskének partján fekszik. Az elszigetelt sziget árapály-medencéi között Salomon a sziklák élethálóját kémlelte: okkersárga tengeri csillagok, barackok, kagylók, csigák és különféle algák, amelyek salátára, mohára és buborékfóliára emlékeztető formát öltöttek.

Ennek a hullámokkal dübörgő kibukkanásnak a látogatása Bob Paine laboratóriumi munkatársainak átmeneti rítusa volt. Évtizedekkel korábban Paine feszítővassal felfegyverkezve először bíbort festett Pisaster tengeri csillagot – az ökoszisztéma legfőbb ragadozóját – a közeli Makah-öböl dagálymedencéiből, és a tengerbe dobta, hogy megtudja, milyen erők szervezték meg a sziklákba tapadt lények közösségét. Az eredmények mélyrehatóan befolyásolnák az ökológiát, a megőrzést és a közvélemény természetfelfogását. Három tengeri csillag nélküli év után a medencékben eredetileg jelen lévő 15 faj nyolcra csökkent. 10 év után egy kagyló monokultúra uralta a partot.

A Paine kísérletének eredményei, kiadva Az amerikai természettudós 1966-ban kimutatta, hogy egyetlen faj túlméretezett hatással lehet egy ökológiai közösségre. Amikor Paine megosztotta megállapításait a paleoökológussal és a természetvédővel Estella Leopold, azt javasolta, hogy egy erőteljes koncepció megérdemel egy idéző ​​nevet. Egy későbbi írásában kijelölte a Pisaster A tengeri csillag egy „zárókőfaj”, ami egy építészeti zárókőre utal: az ék alakú kő egy boltív tetején, amely a behelyezés után megakadályozza a szerkezet összeomlását. „Bobnak meglehetősen költői, narratív elméje volt” – mondta Mary Power, a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem emeritus professzora, aki Paine alatt tanult. (Paine 2016-ban halt meg.)

Salomon, Power és más Paine hallgatók diplomás munkájukat a zárókő-koncepció finomítására és a fajok ökológiai „kulcskő voltának” matematikai meghatározására szentelték. De mint a sziklákra fénylő tengeri csillag, a metafora megragadt a tudományos és a közvélemény képzeletében. Sok ökológus és természetvédő szem elől tévesztette a Paine által a kifejezésnek tulajdonított eredeti jelentőséget, és minden látszólag fontos fajt kulcskőként kezdett el bélyegezni. Valójában egy tavaly közzétett elemzés megállapította, hogy több mint 200 fajt jelöltek meg kulcskőként. A címke használata annyira elterjedt, hogy egyes ökológusok attól tartanak, hogy értelmét vesztette.

Az ökológusok manapság azon dolgoznak, hogy pontosítsák, mit jelent a „kulcsfajták”, és egy igényesebb alkalmazást szorgalmaznak. A kulcsfontosságú fajok szigorúbb azonosításával a döntéshozók jobban azonosíthatják és megóvhatják azokat a fajokat, amelyek aránytalanul nagy hatással vannak az ökoszisztémára, érvelnek. A mikrobiális orvoslás új alkalmazásai pedig segíthetnek a biológusoknak pontosabban számszerűsíteni egy kulcsfontosságú faj hatását, ami nemcsak az ökoszisztémák, hanem az emberi egészség számára is előnyös lehet.

A fajok lényegessége

Az elmúlt évtizedekben, mielőtt Paine elvégezte híressé vált kísérletét, az ökológusok azon elmélet mellett álltak össze, hogy az élőhelyen megosztó fajok piramisszerű hálózatban kapcsolódnak össze, hogy ki kit eszik. A csúcson ritka ragadozók helyezkedtek el, amelyek kisebb ragadozókat vagy növényevőket fogyasztottak, amelyek maguk is bőséges „termelőket” fogyasztottak, például növényeket vagy algákat, amelyeket közvetlenül a napfény és a fotoszintézis táplált. Az ökológusok úgy gondolták, hogy a web stabilitását alulról felfelé a termelők elérhetősége szabályozza.

De az 1960-as évekre ez a gondolkodás megváltozott. A közösségeket is erősen befolyásolhatják a ragadozók? Lehet, hogy a növényzet nem azért uralta az ökoszisztémákat, mert a termelők más fajokat korlátoztak, hanem azért, mert a ragadozók megakadályozták a növényevők túllegeltetését. Paine kísérlete az elsők között volt, amely meggyőzően demonstrálta ezt a felülről lefelé irányuló irányítást valós időben.

Aztán az ökológus James Estes dokumentálta, hogy a kaliforniai tengeri moszaterdőkben a tengeri vidrák kulcsfontosságú szerepet játszottak, mint a tengeri csillagok Paine árapály-medencéiben. Egy 1974-ben megjelent cikkben Tudomány, leírta, hogy a tengeri vidra, egyetlen ragadozó faj, strukturálta a sokszínűséget a moszat-erdő közösségé. A tengeri vidrák kordában tartották a növényevő tengeri sünököt; a ragadozók nélkül a sün túllegelte, és kiirtotta a moszatfüggő fajok teljes készletét.

Ezek a tanulmányok és a kulcsfontosságú gondolat abban a pillanatban kerültek előtérbe, amikor Amerika környezettudatos tudata kialakult. 1973-ban a Kongresszus elfogadta a veszélyeztetett fajokról szóló törvényt, amely elfogadta fajközpontú megközelítés a vadon élő állatok megóvására. Az az elképzelés, hogy egyetlen faj populációjának helyreállítása – talán kulcskő – biztosíthatná egy ökológiai közösség biológiai sokféleségét, összhangban ezzel az új jogi kerettel.

Ennek eredményeként a zárókő-fajok koncepciója önálló életet élt. A tudósok és a természetvédők egyre gyakrabban alkalmazták a kifejezést minden fontosnak tartott fajra, tévesen jellemezve Paine eredeti elképzelését. Az olyan csúcsragadozók, mint a farkasok és a cápák, amelyek hiánya drasztikusan lecsöpögött, bizonyíthatóan kulcskövek voltak. Ugyanígy jártak az élőhely-módosító ökoszisztéma-mérnökök is, mint a hódok, a harkályok, a bölények és a prérikutyák. De nemsokára tudományos utalások is születtek a záróköves növényevőkre, a zárókőnövényekre, a zárókőbeporzókra, sőt a zárókőkórokozókra is. A fontosnak tartott fajcsoportokat „zárókő céheknek” nevezték el.

Ahogy a kifejezés népszerűsége megnőtt, az ökológusok csendesen dolgoztak az ökológiai hálózat fajcsomópontjai közötti kapcsolatok matematikai meghatározásán. A Tatoosh-szigeten Paine diákjai folytatták az árapály-medencék vizsgálatát, fajokat hozzáadva vagy törölve, hogy megtudják, melyik a legfontosabb a közösség számára. Sok éven át végzett gondos mérések során számszerűsítették az egyes legeltetők relatív képességét, hogy befolyásolják a bébi moszat gyökeret eresztő képességét – ezt a Paine-féle mérést „egy főre jutó interakciós erősségnek” nevezték, és amely később „zárókövesség” néven vált ismertté. Ha egy szervezetnek magas volt a trapézkő-képessége, akkor minden egyed aránytalanul nagy hatással volt az ökoszisztémájára.

A legtöbb ember azonban nem követte ezt az új ökológiai matematikát. Az 1990-es évekre egyes ökológusok megrémültek amiatt, hogy a „keystone-fajok” túlzott használata átalakítja és csökkenti a fogalom jelentését. Ideje volt kivonni. 1994 decemberében a hawaii Hiloban tartottak egy kis konferenciát az ökológusok – némelyik önmagukat „törzskőzsaruk”-nak nevezték – konszenzusos definíció kidolgozása céljából. Paine és Power matematikáját követve egyetértettek abban, hogy „a kulcsfontosságú faj olyan faj, amelynek közösségére vagy ökoszisztémájára gyakorolt ​​hatásai jelentősek, és sokkal nagyobbak, mint az a bőségéből várható lenne”.

E meghatározás szerint a lazac nem kulcsfontosságú faj, bár ökológiai szempontból fontos. „Ha kiveszünk egy lazacot egy folyóból, annak nem lesz nagy hatása” – mondta Salomon. Ezzel szemben, ha kiveszünk egy tengeri csillagot az árapály-övezet egy darabjából, „nagy hatással lesz”.

A hilói kongresszus méltó erőfeszítés volt. De ez nem akadályozta meg a kutatókat abban, hogy új kulcsköveket nevezzenek meg a következő évtizedekben. "A probléma az, hogy nincsenek olyan szabványok, amelyekhez a kutatók betartanák a vizsgált szervezetük kulcskőként való kijelölését" - mondta. Bruce Menge, az Oregon State University közösségi ökológusa és egy másik Paine végzős hallgató. „Bárki szabadon sugallhatja, vitathatja vagy feltételezheti, hogy faja kulcskő.” És valóban, egy új elemzés a közelmúltban feltárta, milyen messzire nyúlt a koncepció.

Itt mindannyian kulcskövek vagyunk

2021-ben Ishana Shukla a Victoria Egyetem végzős hallgatója volt, és a kulcsfontosságú fajok jellemzőit akarta elemezni. „Elég naivan azt hittem, hogy a Google-be kereshet egy listát a kulcsfontosságú fajokról, és egy szép lista jön össze” – mondta. Amikor nem talált egyet, úgy gondolta, hogy létrehozza a sajátját. Több mint 50 évnyi publikált adatot bányászott ki, amely 157 tanulmányt tartalmazott, és 230 kulcsfontosságú fajt azonosított. Látta, hogy az ökológiai ismeretek fejlődésével „a zárókő funkciója egyre szélesebb és szélesebb körben kezdett bővülni”.

Egy elemző technikát használva, amely az elemeket kapcsolódó klaszterekbe rendezi, ő és szerzőtársai ötféle zárókőfajt talált: nagy gerinces ragadozók, mint a cápák és a farkasok; gerinctelen csámcsogók, mint a hosszú tüskés tengeri sün és a káposztalepke; a falka középső fajai, amelyek ragadozók és ragadozók is, mint például a keszeg és a bikafejű halak; gerinctelenek, amelyek létfontosságú szerepet töltenek be a táplálékhálózatokban, mint például az északi garnélarák és a mézelő méhek; és az élőhelyeket módosító kisemlősök, például a jégpatkány és a feketefarkú prérikutyák.

"Egész sor kulcskövet azonosítottunk, amelyek nem feltétlenül kapnak természetvédelmi intézkedéseket vagy figyelmet, de láthatjuk, hogy rendkívül fontosak ökoszisztémánk számára" shukla, jelenleg doktorandusz hallgató a Kaliforniai Egyetemen, Davis.

"A cikk legfontosabb üzenete az volt, hogy a zárókőfajok nem egyformák" - mondta Diane Srivastava, a British Columbia Egyetem közösségi ökológusa, aki Costa Ricában dolgozott, hogy a bromélia levelei között összegyűlt vízben kulcsfontosságú fajként azonosította a dámlárvákat. „Az egyik kulcsfontosságú fajról az a közvélemény, hogy nagyméretű szárazföldi emlősök… de valójában a legtöbbjük nem az. A legtöbb kőfaj vízi. Sokan közülük nem ragadozók. Szép számmal vannak gerinctelenek.”

A cikk azonban nem próbálta értékelni, hogy ezek a fajok valódi matematikai kulcskövek-e vagy sem. Menge szerint ehelyett Shukla és munkatársai csupán összefoglalták, hogyan használták és visszaélték a kifejezést. Ily módon a kutatás nem bonyolult, hanem „a „keystone-fajok” kifejezés liberális használatát hangsúlyozta minden olyan erős kölcsönhatásra, amelynek közvetett következményei vannak” – mondta.

Shukla egyik kategóriája sem tartalmazott mikrobákat. Valójában Paine és mások egyáltalán nem gondoltak a mikroorganizmusokra kísérleteik során. A trapézkő-lét számszerűsítése mégis az orvosi mikrobiológia újszerű kutatási irányának tárgyává vált.

A kulcskő a zsigeredben

A mikrobiomák több száz-ezer mikrobafajt foglalnak magukban, amelyek egy összetett ökoszisztémában lépnek kölcsönhatásba. Akkor miért ne lehetne rajtuk is kulcsfontosságú faj?

"Feltehetően, ha van egy kulcskőfaj, akkor a rendszer meglehetősen törékeny lehet" - mondta Yang-Yu Liu, aki a mikrobiomot tanulmányozza a Brigham and Women's Hospital és a Harvard Medical School-ban. Például, ha az antibiotikumok elpusztítják a bél alapkő mikrobáját, a mikrobiális ökoszisztéma összeomolhat, és egészségügyi szövődményeket okozhat. „Ezért érdekel a mikrobiális közösségek kulcsfontosságú fajainak azonosítása” – mondta.

Technikailag vagy etikailag nem lehetséges egyenként eltávolítani a fajokat az emberi mikrobiómákból, ahogyan a tengeri csillagot a sziklákról tépjük le. Ehelyett Liu és kollégái az AI-hoz fordult novemberében megjelent cikkében Természetökológia és evolúció. A bél-, száj-, talaj- és korallmikrobióma adatbázisokból származó adatok felhasználásával mély tanulási modellt dolgoztak ki a fajok fontosságának rangsorolására a mikrobiális közösségekben, megvizsgálva, mi történt a közösséggel, miután az egyes fajokat eltávolították a modellmikrobiómából – lényegében számszerűsítve a kulcskövet. - minden mikrobának.

Liu elemzése szerint „nem találtunk olyan fajt sem, amely nagyon nagy zárókővel rendelkezett volna” – mondta. A legmagasabb számított érték 0.2 körül volt. Mivel a trapéztorzulás definíciója nulla és 1 között mozog, „a 0.2 valóban nem nagy szám” – mondta.

Ez nem jelenti azt, hogy a mikrobiális közösségekben ne lennének kulcskövek. Liu úgy véli, hogy ezekben a közösségekben nagyon magas a funkcionális redundancia szintje – ami azt jelenti, hogy több faj is hasonló ökológiai szerepeket tölthetnek be és ezért felcserélhetők. És egyes fajok nem abszolút értelemben, hanem egy adott személy mikrobiómához viszonyítva magas trapézkő-képességgel rendelkezhetnek, ami erősen személyre szabott. "Ezek a fajok nagyon fontosak abban az értelemben, hogy ha eltávolítják őket, a rendszer sokat változhat" - mondta Liu.

Ebben az értelemben a mikrobiális közösségekben a kulcsfontosságú faj fogalma kontextusfüggő. Előfordulhat, hogy az egyik mikrobióm záróköve nem zárókő a másikban. „Úgy érzem, hogy ezt a szempontot nem értékelték nagyra az ökológusok” – mondta Liu.

Az ökológusok most küzdenek a kulcsfontosságú fajoknak a mikrobákon túlmutató, kontextuális természetével, és azon töprengenek, vajon ez a koncepció számít-e, és hogyan, a biológiai sokféleség csökkenésének valóságában.

A metafora újraértékelése

Menge karrierjét az ökológiai közösségszerkezet megértésének szentelte, folytatva a hangsúlyt a sziklás partokra a Paine-nél végzett diplomás munkája során. Úgy találta, hogy Paine ikonikus lila csillaga nem mindenhol kulcsfontosságú faj. Helyenként erősebb trapézkő-szerűséggel rendelkezik, például a hullámok által intenzívebben felvert dagálymedencékben. „Valójában a védettebb helyeken a tengeri csillag egyáltalán nem olyan kulcskő” – mondta.

Paine is elfogadta ezt. Fent Alaszkában, ahol a déli, lila csillagok által kedvelt kagyló hiányzik, a ragadozó „csak egy újabb tengeri csillag” – emlékezett vissza Paine.

Menge szerint az a tény, hogy a kulcsfontosságú fajok kontextusfüggőek, és térben és időben változnak, „kimaradt a rövid távú vizsgálatokból”.

Ennek ellenére Srivastava nem hajlandó elvetni a koncepciót. Míg a kulcskérdésekre és az egyes fajokra való összpontosítás elterelhette a politikai döntéshozókat és a természetvédőket a megőrzés holisztikusabb megközelítéseitől, egyetlen faj védelme és helyreállítása néha sok más faj hasznára is válhat az ökoszisztémában. „Ez nem jelenti azt, hogy rohanunk megmenteni a kulcsfontosságú fajokat, és figyelmen kívül hagyjuk a rendszer egészének sokféleségét” – mondta.

Srivastava azt is hangsúlyozta, hogy a kulcskövek nem az egyetlen módja a rendszerek stabilizálásának. "Az ökológusok most úgy gondolják, hogy a stabilitás szempontjából legfontosabb kölcsönhatások némelyike ​​valójában viszonylag gyenge kölcsönhatás" - mondta. „Ha sok olyan faj van, amelyek gyengén kölcsönhatásba lépnek, az olyan, mintha szélviharban sok sátorfõ kötné le a sátrát. Ez eloszlatja a zavarok egy részét."

Menge nagyrészt egyetért. A globális fajfogyás közepette a fő hangsúlyt az élőhelyek és a biológiai sokféleség védelmére kell helyezni, nem az egyes fajokra – mondta. "Ha ezt a két dolgot elég helyen megcsinálták, akkor nem vagyok benne biztos, hogy a zárókőfajok ötlete annyira kritikus."

Talán egy zárókő fontosabb, mint a többi. Paine egyik utolsó tanulmányában, amelyet 2016-ban, halála napján tettek közzé, ő és az ökológus Boris Worms azt javasolta, hogy az emberek egy „hyperkeystone fajok” – olyan, amely mélyreható hatásokat fejt ki más kulcskövek kihasználásával.

Az embereket nem lehet úgy eltávolítani a rendszerből, mint a tengeri csillagokat, hogy számszerűsítsük hatásunkat. Salomon szerint azonban megtanulhatjuk, hogyan csökkenthetjük kulcsfontosságú voltunkat a hatékony természetvédelmi gyakorlat és politika révén. „Arra is képesek vagyunk, hogy megtanuljuk irányítani magunkat.”

Ez az egyik oka annak, hogy az ökológusok továbbra is újradefiniálják és újragondolják a kulcsfontosságú fajokat. Az erőteljes szimbólum nem vezet sehova, de egy továbbfejlesztett definícióval az emberek megtanulhatják, hogyan kell jobban alkalmazni.

Paine tudta ezt. Salomon szereti megosztani szavait tanítványaival: „Tudatlanságból nem lehet boldogulni. Tudni kell, hogy milyen fajokat csinálnak, kiket esznek, milyen szerepet töltenek be ezek a zsákmányfajok. Ha ezt tudod, intelligens döntéseket hozhatsz."