اگر تا به حال متوجه شده‌اید که سنجاب‌ها به‌مراتب بیشتر از روباه‌ها در محله شما دیده می‌شوند، یا برند خاصی از خودروها در پارکینگ‌ها غالب هستند، شما در واقع شاهد الگویی هستید که فقط به محیط‌های انسانی محدود نمی‌شود بلکه سراسر دنیای طبیعی را هم در بر می‌گیرد.
این الگو که در آن تعداد اندکی از گونه‌ها بسیار رایج هستند و بقیه نادر باقی می‌مانند، با عنوان «توزیع فراوانی گونه‌ها در قالب منحنی توخالی» شناخته می‌شود. برای نزدیک به یک قرن، بوم‌شناسان به دنبال یافتن مدلی واحد برای توضیح این پدیده بوده‌اند. اکنون پژوهشگرانی از دانشگاه ویرجینیا (UVA) باور دارند که موفق به کشف آن شده‌اند.
کشف مدلی جهانی برای توزیع گونه‌ها
تحلیل ۳۰٬۰۰۰ مجموعه داده از سراسر اکوسیستم‌ها
در مطالعه‌ای جدید، تیم تحقیقاتی دانشگاه ویرجینیا به بررسی گسترده ۳۰ هزار مجموعه داده از اکوسیستم‌های مختلف پرداختند؛ از جنگل‌های ایالات متحده گرفته تا کلونی‌های میکروبی در روده انسان.
نتیجه این بود که مدلی ریاضی به نام «توزیع پاوربند (Powerbend Distribution)» به‌طور مداوم الگوی توزیع گونه‌ها را توصیف می‌کند. این مدل بر گونه‌های مختلفی چون پرندگان، درختان، باکتری‌ها و سایر موجودات زنده در سراسر سیاره قابل اعمال است.
«این نخستین مطالعه‌ای است که به‌صورت جامع تمام انواع موجودات زنده، چه بزرگ و چه کوچک را بررسی می‌کند،» مارتین وو، استاد زیست‌شناسی دانشگاه UVA و یکی از نویسندگان این تحقیق می‌گوید. «ما دریافتیم که مدل پاوربند با ثبات بالا برای همه جوامع زیستی، زیستگاه‌ها و مقیاس‌های فراوانی کاربرد دارد.»
یک الگو، میلیون‌ها مثال
تجربه روزمره، توضیحی ساده برای الگویی پیچیده
مدل پاوربند نشان می‌دهد که بیشتر گونه‌ها نادر هستند و فقط تعداد محدودی از آن‌ها بسیار رایج‌اند. وو با یک مثال ساده این موضوع را توضیح می‌دهد:
«اگر در دانشگاه UVA قدم بزنید، احتمالاً تعداد زیادی سنجاب می‌بینید، اما فقط گاه‌به‌گاه راکون یا روباه. اگر به خودروها در خیابان‌های شهری دقت کنید، متوجه می‌شوید که بیشتر آن‌ها از برندهای هوندا، تویوتا یا فورد هستند، در حالی که برندهای دیگر فقط گهگاهی دیده می‌شوند.»
برآورد زیست‌تنوع، بدون نیاز به شمارش تک‌تک موجودات
اهمیت مدل پاوربند در حفاظت از محیط زیست
این دستاورد تنها به درک بهتر طبیعت محدود نمی‌شود، بلکه در زمینه حفاظت از محیط زیست و پایش‌های زیست‌محیطی کاربرد عملی دارد. مدل پاوربند این امکان را فراهم می‌کند که دانشمندان بتوانند زیست‌تنوع یک منطقه را بدون نیاز به شمارش تک‌تک موجودات برآورد کنند.
«پیش از این، اگر یک گرم خاک جمع‌آوری می‌کردم، نمی‌توانستم بفهمم که چند گونه باکتری در آن وجود دارد،» وو می‌گوید. «اما اکنون با در اختیار داشتن این مدل، دیگر نیازی نیست تک‌تک سلول‌های خاک را شمارش کنم و می‌توانم برآورد دقیقی داشته باشم.»
چالش مطالعه میکروب‌ها
این یافته به‌ویژه درباره میکروب‌ها اهمیت دارد؛ زیرا رشد و مطالعه آن‌ها با روش‌های آزمایشگاهی سنتی بسیار دشوار است. تا پیش از ظهور ابزارهای توالی‌یابی DNA در حدود سال ۲۰۰۸، دانشمندان برای بررسی جوامع میکروبی با مشکلات زیادی مواجه بودند.
اما پیشرفت‌های تکنولوژیکی از آن زمان تاکنون، باکتری‌شناسی را متحول کرده‌اند و داده‌های ژنتیکی وسیعی در اختیار محققان قرار داده‌اند.
وقتی بوم‌شناسی با ریاضی پیوند می‌خورد
نقش دانشجویان ریاضی‌دان در پیشرفت تحقیق
اگرچه وو در اصل میکروبیولوژیست است، نقطه عطف این پژوهش زمانی رقم خورد که دو دانشجوی کارشناسی‌ارشد با تسلط بالا بر ریاضی – «یینگ‌نان گائو» و «احمد عبدالله» – به آزمایشگاه او پیوستند. تخصص آن‌ها باعث شد تیم تحقیق بتواند مدل پاوربند را به‌طور دقیق در مقابل مجموعه داده‌های واقعی از اکوسیستم‌ها و گونه‌های مختلف آزمایش کند.
کاربرد آموزشی مدل در کلاس درس
این مدل حتی به کلاس‌های درس هم راه پیدا کرد.
«با استفاده از یک توالی‌یاب DNA به اندازه فلش USB و یک لپ‌تاپ، در کلاس درس به‌صورت زنده میکروبیوم روده یکی از اساتید محبوب را بررسی کردیم،» وو می‌گوید. «این تجربه فوق‌العاده‌ای برای دانشجویان بود تا در قالب یک آزمایش عملی، به‌عنوان کارآگاه‌های میکروبی عمل کنند.»
الگویی تکرارشونده در سراسر حیات
مطالعه‌ای روی گونه‌های درختی ایالات متحده
یکی از مجموعه داده‌های مورد بررسی در این تحقیق، الگوی پراکنش گونه‌های درختی در سراسر ایالات متحده را مورد توجه قرار داد.
به‌عنوان مثال، در ایالت ویرجینیا، پنج گونه درخت – افرای قرمز، کاج لاب‌لولی، صنوبر زرد، درخت سویت‌گام و هالی آمریکایی – حدود ۴۵٪ از ۱۰.۶ میلیارد درخت این ایالت را تشکیل می‌دهند. باقی ۵۵٪ بین بیش از ۱۲۰ گونه دیگر تقسیم شده‌اند.
وو اشاره می‌کند:
«معمولاً مشاهده می‌شود که ۲۰٪ از گونه‌ها حدود ۸۰٪ از فراوانی کلی را شامل می‌شوند. این با اصل پارتو مطابقت دارد؛ اصلی که توسط اقتصاددان ایتالیایی، ویلفردو پارتو معرفی شد و بیان می‌کند که ۲۰٪ از جمعیت ۸۰٪ از ثروت را در اختیار دارند.»
فرمولی برای رمزگشایی طبیعت
نتیجه‌گیری: نظمی در دل پیچیدگی
کشف مدل پاوربند به‌عنوان الگویی پیش‌بینی‌پذیر و فراگیر، ابزار جدیدی در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد تا به پرسش‌های اکولوژیکی پاسخ دهند.
از همه مهم‌تر، این مدل تأیید می‌کند که با وجود تنوع و پیچیدگی حیرت‌انگیز حیات در کره زمین، الگوهای بنیادینی وجود دارند که از پرندگان حیاط خلوت تا باکتری‌های نامرئی را به هم پیوند می‌زنند.
در شرایطی که بوم‌شناسان با چالش‌های مرتبط با کاهش تنوع زیستی و بازسازی اکوسیستم‌ها مواجه هستند، درک الگوهای طبیعی توزیع گونه‌ها می‌تواند گامی مهم به سوی راه‌حل‌های عملی باشد.
با تلاش تیم دانشگاه ویرجینیا، این درک اکنون شفاف‌تر از همیشه شده است.
این مطالعه در نشریه علمی Nature Communications منتشر شده است.
