To ile w końcu jest tych gatunków? (tl;dr)

Bioróżnorodność rafy koralowej./ źródło: wiki; Richard Ling (CC BY-SA 3.0) ©2007

Nawet nie przymierzałem się specjalnie, aby o tym pisać, bo większość mediów podchwyciła temat od razu, a ja nie lubię takich pseudo-świeżych kotletów, ale ponieważ serwis PAP popełnił notkę, która w samym wstępie roi się od byków, więc postanowiłem się pracy przyjrzeć bliżej.

No i mam parę uwag. I nie tylko ja.

Bo praca donosi, że gatunków eukariontów może być aż 8.7 miliona, z czego opisanych jest mniej niż półtora miliona. Diabeł jednak tkwi w szczegółach: praca mówi, że gatunków może być tyle, a nie – że jest. I chociaż autorzy sugerują, że powinniśmy ich przewidywania traktować jako nowy wyznacznik bioróżnorodności, to jednak to rozróżnienie między ‚może być’ a ‚jest’ jest tutaj niesamowicie istotne. Wróćmy jednak do głównego tematu – czyli do pracy opublikowanej w ubiegłym tygodniu w piśmie PLoS Biology.

Jako gatunek szczycimy się tym, że jesteśmy świadomi, myślący i analizujący. Że potrafimy rozwiązywać niebywale skomplikowane problemy, a jeśli nie potrafimy, to często jesteśmy w stanie zbudować maszyny, które potrafią. Jesteśmy dumni z postępu nauki – do takiego stopnia, do jakiego jesteśmy tego postępu świadomi. Tu jednak zaczynają się schody. Wiele prawd objawionych, których w szkołach uczy się jako pewników, nie jest bowiem do końca potwierdzonych. To, czego uczymy się jednego dnia, następnego okazuje się fikcją. Czasem jest to wynikiem doprecyzowania naszego stanu wiedzy, jak na przykład w niesławnym przypadku deklasacji Plutona. Innym razem jest to po prostu rezultat tego, że temat, który wydaje się być prosty, wcale prostym nie jest. Takim zagadnieniem jest właśnie kwestia liczby gatunków istniejących na Ziemi.

O tym, że naprawdę nie mamy pojęcia, ile gatunków istnieje, bądź istniało, na Ziemi, i dlaczego, znakomicie rozprawia Bill Bryson w swojej Krótkiej historii prawie wszystkiego. Powodów na taki stan jest wiele, ale większość sprowadza się do tego, ile czasu i środków przeznaczanych jest na odkrywanie i przede wszystkim opisywania nowych gatunków, a także na organizowanie naszej wiedzy – bo większość danych do niedawna nie było scentralizowanych, ani skomputeryzowanych. Wiele zaś wciąż nie jest.

Stąd większość tego, co wydaje nam się, że wiemy, jest nie tyle wynikiem bezpośrednich obserwacji, co ekstrapolacji liczb zmierzonych w małych ekosystemach do rozmiaru całej planety. A końcowe liczby różnią się diametralnie w zależności od badacza, od badanego ekosystemu, od tego, co mieli na śniadanie w dniu zbierania okazów. Generalnie od wszystkiego. Rok temu Robert May z Oksfordu popełnił w piśmie Science esej na temat ilości gatunków tropikalnych stawonogów, który rozpoczynał się następująco:

Gdyby jakaś obca wersja SS Enterprise odwiedziła Ziemię, jakie mogłoby być pierwsze pytanie gości? Wydaje mi się, że byłoby to: „Ile różnych form życia – gatunków – istnieje na waszej planecie?” Żenująco naszą najlepszę odpowiedzią byłoby 5 do 10 milionów eukariontów (pommijamy tutaj wirusy i bakerie), ale równie dobrze może to być aż 100 milionów albo zaledwie 3 miliony.

May w swojej pracy nawiązuje do klasycznego dzisiaj eksperymentu przeprowadzonego przez Terry’ego Erwina z Instytutu Smithsonian, którego wyniki Erwin opublikował we wczesnych latach 80. W czasie swoich badań Erwin udał się do Panamy. Tam przeprowadził doświadczenie, w czasie którego rozpinał siatkę pod czaszą tropikalnych drzew, po czym oczadzał je insektycydem. Robactwo, które w siatkę spadło zbierał, identyfikował i liczył. W tej kolekcji znalazł między innymi ponad tysiąc różnych gatunków żuków! Ekstrapolując tę liczbę na liczbę różnych znanych robali, drzew, ekosystemów, lasów itd. na całej planecie, Erwin postawił swoją diagnozę. Jego ostrożny szacunek zakładał, że na Ziemi może żyć aż 30 milionów tropikalnych stawonogów. Stawonogów! A co dopiero wszystkich eukariontów.

Dzisiaj oczywiście wiemy na ten temat więcej. Więcej drzew zaczadzono od tamtej pory i w większej liczbie lokalizacji. Tropikalnych stawonogów jest na Ziemi prawdopodobnie około 50 tysięcy gatunków. Ten przykład pokazuje, jak bardzo nasze zgadywanki mogą mijać się z rzeczywistością. Wracając zatem do pracy w PLoS Biology…

Autorzy przede wszystkim przedstawili zestawienie publikacji próbujących oszacować liczbę gatunków organizmów żyjących na Ziemi wraz z mankamentami poszczególnych badań. Jak już wcześniej podkreśliłem, tego typu badania zawsze opierają się na ekstrapolacji pewnych obserwacji małych systemów na ekosystem całej planety.

Można to na przykład robić opierając się o obserwacje makroekologiczne, np. wiedząc jaka jest częstość występowania organizmów o różnych rozmiarach May (tak, ten sam May) oszacował tę liczbę na 10 do 50 milionów. Problem polega na tym, że znamy częstość występowania organizmów dużych – bo, mówiąc wprost, są duże, więc trudno je przeoczyć, no i ogólnie jest ich mniej – i na tej podstawie próbujemy przewidzieć częstość występowania organizmów o mniejszych rozmiarach. W rzeczywistości nie ma jednak powodu, aby zakładać, że dystrybucja organizmów małych będzie się kierowała tymi samymi prawami, co organizmów dużych. I w istocie, nie kieruje się, co zostało potwierdzone w nieco późniejszych publikacjach, stawiając pod znakiem zapytania zasadność tez Maya.

Można też próbować wykorzystać dane na temat względnej bioróżnorodności różnych organizmów. Na przykład wiedząc, że stosunek ilości gatunków grzybów do roślin naczyniowych w skali globalnej wynosi około 6 do 1. Wiemy też (zwłaszcza że rośliny są nieco łatwiejsze do zdybania i opisania), że roślin naczyniowych jest około 270 tysięcy gatunków. Na tej podstawie kolejny badacz określił liczbę gatunków grzybów na nieco ponad półtora miliona. Podstawowymi wadami podejścia stosującego znany stosunek dwóch typów organizmów, z których jeden jest względnie dobrze opisany, jest to, że zazwyczaj ten stosunek ilości określa się na podstawie danych lokalnych, a także to, że przynajmniej jeden z tych organizmów musi być bardzo dobrze opisany w skali globalnej. Dane lokalne zaś nieczęsto okazują się być, cóż, lokalne – nie da się ich w sposób przejrzysty ekstrapolować na skalę światową. Zaś grup organizmów opisych szczegółowo w skali globalnej jest tyle, co kot napłakał.

Jedną ciekawą, bo prostą i dość oczywistą dla laika metodą na określenie liczby gatunków, jest zadanie pytania o poszczególne grupy organizmów ekspertom, a następnie zsumowanie odpowiedzi. Erwin (ponownie: tak, ten sam Erwin) nazwał tę metodę „nienaukową” i trudno nie przyznać mu racji. Bo owszem, metody naukowej tu brak. Co więcej, jakość odpowiedzi ekspertów, będzie zależała od ekspertów oczywiście. Żeby nie wspomnieć o takim szczególe, jak to, że często liczba ekspertów w danej dziedzinie będzie taka sama, co liczba różnych odpowiedzi…

Autorzy publikacji opisali więc kolejną metodą, która opiera się na ekstrapolacji obserwacji. Ale z jakiegoś powodu (chociaż pewnie jest to więcej niż tylko rozbuchane ego) sądzą, że ich jest znacznie dokładniejsza od pozostałych. Żeby wyjaśnić na czym polega muszę tutaj szybko wyjaśnić pojęcie taksonu. Otóż takson (lub inaczej ranga) jest to jednostka taksonomiczna (trochę takie masło maślane niestety) obejmująca organizmy spokrewnione i wyróżniające się jakąś cechą, która odróżnia je od organizmów z innych taksonów. Taksonem najwyższego rzędu jest domena, a tych znamy trzy: bakterie, Archaea oraz eukarionty. Poniżej mamy królestwa. W domenie eukariontów osobne królestwa prezentują np. zwierzęta, rośliny, grzyby i kilka innych. Ogólnie sytuacja jest niestety dość skomplikowana, bo systemów taksonomicznych jest w obiegu conajmniej kilka. Z praktycznego punktu widzenia użyteczne informacje zaczynamy uzyskiwać o jeden poziom niżej niż królestwo – na poziomie typu. Typem jest na przykład takson strunowców – organizmów, które na jakimś etapie rozwoju posiadają strunę grzbietową. Strunowcami nie są rośliny. Ani grzyby. Ani mięczaki. Są nimi za to m.in. ryby, ptaki i ssaki. Taksonem niemal najniższego rzędu jest zaś gatunek (chociaż niektórzy badacze są bardziej szczegółowi i wyróżniają jeszcze szczepy czy plemiona – ale to już takie trochę przynudzanie jest).

No i teraz z powrotem do publikacji. Otóż oczywiście łatwiej jest określić, ile na Ziemi istnieje typów zwierząt, gromad (szczebel niżej) czy rzędów (jeszcze jeden szczebel). A to dlatego że oczywiście im wyżej patrzymy na tę drabinę tym mniej taksonów mamy w każdej kategorii. Im niżej jednak schodzimy, tym liczniejsze stają się kolejne taksony. Badacze, nazując na taksonach, których skład znamy już dość dobrze, ustalili że istnieje związek między rangą taksonu, a jego liczebnością. Na tej podstawie określili, ile na Ziemi powinno być rodzajów (szczebel wyżej niż gatunek, też nie znamy całkowitej liczby) oraz gatunków organizmów. Trendy dla różnych taksonów oraz końcową relację ilustruje grafika poniżej.

Znana liczebność taksonów wyższych rzędów oraz przewidywane liczebność rang rodzaju i gatunku. /Przedruk z Mora et al., PLoS Biol 9(8): e1001127 ©2011

Na tej podstawie doszli do wniosku, że organizmów na Ziemi jest ni mniej ni więcej, tylko 8.7 miliona gatunków. Plus minus 1.3 miliona, ale kto by tam liczył.

Wszystko to jest bardzo piękne. Jakie jednak są problemy z interpretacją tych wyników? Na niektóre zwracają uwagę już sami autorzy. Po pierwsze więc, czym jest gatunek? Pytanie brzmi nieco dziecinnie, ale dalekie jest od trywialności. W zależności od tego, w jakim obszarze zoologii dany taksonom pracuje, zupełnie inne bowiem może być rozumienie tego pojęcia. Po drugie, zmiany z liczebności taksonów wyższego rzędu, chociaż rzadkie, nie są wykluczone. Ta liczebność zaś decyduje o tym, jaka jest ekstrapolowana liczebność rangi gatunku… Po trzecie, dane dla wyższych taksonów są, oprócz rangi typu, przybliżeniami opierającymi się na tempie odkrywania nowych jednostek w tych taksonach. To tempo zaś zależeć będzie od tego, jak modne w danej dekadzie, czy stuleciu była taksonomia i odkrywanie nowych organizmów. Pewne zmiany w, no właśnie, po prostu w tym, co jest w danej chwili modne w nauce i na co można dostać finansowanie, wpłynąć mogą dość znacznie na końcowy rezultat. Wreszcie, te dane, które nie były przybliżeniami, pochodziła taksonomicznej bazy danych Catalogue of Life. Bazy która, należy dodać, ciągle jest uzupełniana. I to nie o nowe gatunki, ale o gatunki już odkryte, ale jeszcze nie wpisane do katalogu. Bo często zapominamy o tym, żyjąc w erze maszyn i komputerów, że stare rekordy i zapisy do bazy danych muszą zostać fizycznie wklepane przez wklepywacza – zapewne jakiegoś biednego studenta lub asystenta. I tenże katalog pomiedzy wersją stosowaną przez autorów pracy, a wersją dostępną w dniu publikacji, rozszerzył się o, bagatela, 100 tysięcy nowych wpisów.

Ostatnie zastrzeżenie, co do wszelkiego rodzaju szacunków na temat liczby gatunkó organizmów występujących na Ziemi musi dotyczyć tego, co też tak naprawdę obserwujemy. Klasycznym przykładem są bakterie, których skatalogowano zaledwie około 10 tysięcy (ale z domeny eukariontów w podobnej sytuacji są grzyby). Bazując na tym, co wiemy o bakteriach, powinniśmy się spodziewać znacznie większej różnorodności. I mówiąc znacznie większej nie mam na myśli tego, że może machnęliśmy się o rząd wielkości. Prędzej o trzy lub cztery. Problemem bowiem jest to, że jedyne bakterie, które znamy, to te, które chcą rosnąć na agarze – te, które po prostu potrafimy wyhodować w laboratorium na szalce Petriego. Bakterie jednak to szczwane bestie. Rosną niemal wszędzie, przetrwać potrafią najbardziej ekstremalne warunki, jakie jesteśmy w stanie znaleźć na Ziemi. I jedyne warunki, w jakich najwyraźniej nie chcą rosnąć i się rozwijać, to ten cholerny agar. Siłą rzeczy zatem nasza wiedza na temat mikrobów jest niezwykle wybiórcza i pokazuje tylko, że wszelkie szacunki są o kant kuli rozbić, gdy uwzględnimi to, że są oparte na danych ograniczonych przez naszą niezdolność do obserwacji.

May, R. (2010). Tropical Arthropod Species, More or Less? Science, 329 (5987), 41-42 DOI: 10.1126/science.1191058

Mora, C., Tittensor, D., Adl, S., Simpson, A., & Worm, B. (2011). How Many Species Are There on Earth and in the Ocean? PLoS Biology, 9 (8) DOI: 10.1371/journal.pbio.1001127