Voor de beste ervaring schakelt u JavaScript in en gebruikt u een moderne browser!
EN

Kleine veranderingen in de omgevingsomstandigheden van biologische levensgemeenschappen die slechts geringe onmiddellijke gevolgen hebben, kunnen na een aanzienlijke vertraging ingrijpende verschuivingen in deze gemeenschappen veroorzaken door evolutionaire processen in gang te zetten. Dit is de belangrijkste conclusie van een onderzoek door de theoretische ecologen Catalina Chaparro-Pedraza en André de Roos van de Universiteit van Amsterdam. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Ecology and Evolution.

Trekkende zalmen. Foto: Shutterstock
Trekkende zalmen. Foto: Shutterstock

Het is algemeen bekend dat kleine omgevingsveranderingen abrupte en ingrijpende veranderingen in ecosystemen kunnen veroorzaken. In ondiepe meren kunnen kleine wijzigingen in de toevoer van voedingsstoffen er bijvoorbeeld plotseling voor zorgen dat helder, soortenrijk water verandert in troebel water met een lage biodiversiteit. Op vergelijkbare wijze kunnen kleine toenamen in de begrazingsdruk leiden tot de ondergang van plantengemeenschappen in semi-aride regio’s, waardoor grote gebieden uiteindelijk veranderen in woestijnen.

Regimetransities

Dergelijke abrupte veranderingen, die regimetransities (in het Engels: ‘regime shifts’) worden genoemd, zien we niet alleen in ecosystemen. Op economisch vlak zijn de financiële crisis van 2008 en de diverse beurscrashes voorbeelden van regimetransities. Tot voor kort hadden onderzoekers alleen bestudeerd hoe regimetransities worden getriggerd als directe reactie op een omgevingsverandering boven een bepaalde kritische drempelwaarde (‘omslagpunt’). Wat echter nog niet was onderzocht, was hoe omgevingsveranderingen ook een trigger kunnen zijn voor de evolutie van individuele organismen die zich kunnen aanpassen aan de veranderende omstandigheden door bijvoorbeeld hun kenmerkende eigenschappen of hun gedrag te wijzigen.

In hun onderzoek onthullen UvA-wetenschappers Catalina Chaparro-Pedraza en André de Roos hoe dergelijke evolutionaire veranderingen van invloed zijn op het optreden van regimetransities. Catalina Chaparro-Pedraza, die dit onderzoek heeft uitgevoerd als onderdeel van haar promotieproject aan het Institute for Biodiversity and Ecosystem Dynamics (IBED) van de UvA, legt het als volgt uit: 'Wij laten zien dat een verandering in omgevingsomstandigheden ook zonder overschrijding van een kritische drempelwaarde na verloop van tijd toch kan leiden tot een regimetransitie. Dit is omdat de omgevingsverandering een evolutionair proces in gang zet dat ervoor zorgt dat individuele eigenschappen de kritische drempelwaarde bereiken, waarna de regimetransitie plaatsvindt. De tijd die verstrijkt tussen de omgevingsverandering en de eruit voortvloeiende regimetransitie kan bijzonder lang zijn en is afhankelijk van de snelheid van het evolutionaire proces.'

Veranderende zalmhabitats

Het optreden van deze door evolutie getriggerde, vertraagde regimetransities wordt geïllustreerd aan de hand van een wiskundig model dat de fundamentele factoren beschrijft van soorten die op een bepaald punt in hun leven veranderen van habitat. De levenscyclus van de zalm is hierbij als inspiratie gebruikt. Kort na hun geboorte maken zalmen deel uit van de biologische levensgemeenschap in (zoetwater)rivieren. Maar zodra ze de rivieren verlaten en naar zee migreren, worden ze onderdeel van een totaal andere biologische levensgemeenschap.

Chaparro-Pedraza en De Roos werden geïnspireerd door dit biologische systeem en tonen aan dat een verandering in omgevingsomstandigheden – hier vertegenwoordigd door een verlaging van de mortaliteit waaraan de individuen in de mariene habitat worden blootgesteld – slechts geringe onmiddellijke gevolgen heeft voor de biologische levensgemeenschappen. Er wordt echter een evolutionair proces in gang gezet dat er langzaam voor zorgt dat de individuele eigenschappen de kritische drempelwaarde bereiken, waarna er een regimetransitie plaatsvindt.

'Opvallend genoeg veroorzaakt deze regimetransitie tegelijkertijd ingrijpende veranderingen in de samenstelling van de zoetwatergemeenschap én die van de mariene gemeenschap, hoewel er niets is veranderd in de omgevingsomstandigheden van de zoetwatergemeenschap,' aldus De Roos, hoogleraar Theoretische ecologie van UvA-IBED. Daarom is er niet alleen een arbitraire periode verstreken tussen de omgevingsverandering in de mariene habitat en het optreden van de regimetransitie, maar is de abrupte verschuiving in de samenstelling van de zoetwatergemeenschap bovendien getriggerd door een verandering in een totaal andere omgeving.

Voorspellen van regimetransities

De interacties binnen en tussen biologische levensgemeenschappen, en tussen ecologische en evolutionaire processen, maken het moeilijk om regimetransities te voorspellen. Momenteel beperken de methoden die hiervoor beschikbaar zijn zich tot transities die worden veroorzaakt door een omgevingsverandering boven een kritische drempelwaarde. Aangezien door evolutie getriggerde regimetransities beginnen met een omgevingsverandering die geen kritische drempelwaarde overschrijdt, zijn er nieuwe methoden nodig om het optreden van deze regimetransities te kunnen voorspellen.

Chaparro-Pedraza: 'Zulke methoden kunnen niet alleen nuttig zijn voor het voorspellen van regimetransities in biologische systemen, maar bijvoorbeeld ook voor het voorspellen van beurscrashes als gevolg van toenemende risico’s van financiële praktijken. Uiteindelijk zijn mensen net zo adaptief als andere organismen, aangezien ze hun gedrag voortdurend aanpassen om te kunnen omgaan met veranderende omstandigheden.'

Contact

dhr. prof. dr. A.M. (André) de Roos

Faculteit der Natuurwetenschappen, Wiskunde en Informatica

Institute for Biodiversity and Ecosystem Dynamics

mw. P.C. (Catalina) Chaparro Pedraza

Faculteit der Natuurwetenschappen, Wiskunde en Informatica

Institute for Biodiversity and Ecosystem Dynamics

Publicatie details

A.M. de Roos; P.C. Chaparro Pedraza: ‘Ecological changes with minor effect lead to delayed evolutionary regime shifts’, in Nature Ecology and Evolution (10 februari 2020). Link: https://www.nature.com/articles/s41559-020-1110-0