MNOGE pojave u prirodi – od kretanja planeta, preko funkcioniranja molekularnih sustava, do tjelesnih svojstava i sposobnosti – mogu se opisati određenim matematičkim formulama, odnosno zakonitostima koje omogućuju predviđanja u inače kaotičnim sustavima, među koje spadaju i ekološki sustavi.

No, kako pokazuje nova studija objavljena u časopisu Science Advances, ljudi svojim destruktivnim aktivnostima toliko snažno utječu na život na Zemlji da su poremetili ta prirodna, univerzalna načela.

Normalna distribucija

Jedan od najpoznatijih primjera matematičke zakonitosti koja opisuje brojne fenomene u biologiji je normalna distribucija.

Tu vrijedi da logaritam različitih bioloških varijabli obično ima normalnu distribuciju koju dobro opisuje tzv. Gaussova krivulja (dolje). Primjerice, mjere veličine živog tkiva u nekoj vrsti - dužina ili visina tijela, površina kože i težina - slijede normalnu distribuciju. Slično vrijedi i za duljinu inertnih dijelova tijela, kao što su kosa, kandže, nokti i zubi, za određena fiziološka mjerenja, kao što je krvni tlak odraslih ljudi, te za distribuciju kvocijenta inteligencije kod ljudi. Uvijek vrijedi da će biti vrlo malo ljudi s vrlo niskim ili vrlo visokim kvocijentom inteligencije, a najviše onih s prosječnim.

Zakon potencije u oceanima

Drugi je matematički zakon koji dobro opisuje određene pojave u prirodi, a važan je za razumijevanje nove studije, zakon potencije. U statistici zakon potencije je funkcionalni odnos između dviju veličina, gdje promjena jedne veličine rezultira proporcionalnom promjenom druge. Drugim riječima, jedna veličina varira kao potencija druge. Na primjer, površina kvadrata ovisi o duljini njegove stranice; ako se duljina udvostruči, površina se množi s faktorom četiri.

Raymond W. Sheldon prvi je 1972. godine izašao s hipotezom prema kojoj bi se zakon potencije mogao primijeniti u slučaju biomase vrsta. Prema toj hipotezi, koja je danas poznata kao Sheldonov spektar, biomasa različitih vrsta uglavnom je ista jer su organizmi tim brojniji što su manji i obratno.

Na primjer, dok je račić kril 12 redova veličine (oko milijardu) puta manji od tune, on je također 12 redova magnitude brojniji od tune. Dakle, prema toj hipotezi, sve meso tune na svijetu zajedno (biomasa tune) otprilike je količinski isto (barem u istom redu veličine) kao i sva biomasa krila na svijetu.

Otkako je Sheldonov spektar prvi put predložen 1972., znanstvenici su ga testirali samo u ograničenom broju vrsta u vodama, primjerice na morskim planktonima i slatkovodnim ribama. Među njima on se pokazao točnim – biomasa većih vrsta manje rasprostranjenosti bila je otprilike jednaka biomasi manjih, rasprostranjenijih vrsta, kojima se veće hrane.

Zakon je vrijedio prije industrijskog doba, danas je poremećen

U novoj studiji ekolog s Instituta Max Planck Ian Hatton i njegovi kolege pokušali su vidjeti odražava li ovaj zakon ono što se događa na globalnoj razini.

"Jedan od najvećih izazova u usporedbi organizama koji obuhvaćaju bakterije s kitovima su ogromne razlike u razmjerima", kaže Hatton.

"Omjer njihovih masa jednak je onom između ljudskog bića i cijele Zemlje. Procijenili smo organizme na kraju ljestvice malih organizama iz više od 200.000 uzoraka vode prikupljenih na globalnoj razini, no veći morski organizmi zahtijevaju potpuno različite metode."

Na temelju povijesnih podataka znanstvenici su potvrdili da Sheldonov spektar globalno vrijedi za predindustrijske uvjete u oceanima, prije 1850. godine. U 12 skupina morskog života, uključujući bakterije, alge, zooplankton, ribe i sisavce, zabilježena je otprilike jednaka količina biomase u svakoj vrsti organizama, neovisno o njihovoj veličini.

"Bili smo zaprepašteni"

"Bili smo zaprepašteni kada smo vidjeli da svaka klasa veličine organizama na globalnoj razini sadrži približno 1 gigatonu biomase", rekao je Eric Galbraith, geoznanstvenik sa Sveučilišta McGill.

Tim je razmotrio različita moguća objašnjenja za ovakvu pravilnu distribuciju, uključujući ograničenja koja postavljaju čimbenici kao što su interakcije grabežljivca i plijena, metabolizam, stope rasta, reprodukcija i smrtnost. Mnogi od ovih čimbenika također se mijenjaju s veličinom organizma. Primjerice, poznato je da zakon potencije vrijedi i za odnos veličine tijela i metabolizma – metabolizam malih životinja brži je od metabolizma velikih. No sva razmotrena tumačenja za sada su još uvijek u sferi pretpostavki.

"Činjenica da je biomasa morskog života ravnomjerno raspoređena po veličinama je izvanredna," rekao je Galbraith.

"Ne razumijemo zašto bi to trebalo biti tako – zašto biomasa malih organizama ne bi mogla biti puno veća od biomase velikih? Ili zašto ne bi bilo najviše neke srednje idealne veličine? U tom smislu rezultati naglašavaju koliko toga još uvijek ne razumijemo o ekosustavima", dodao je.

Bakterije i kitovi odstupaju od zakona

U studiji su zabilježena dva izuzetka od pravila Sheldonovog spektra na oba kraja ljestvice veličine. Bakterija je bilo više nego što je zakon predviđao, a kitova daleko manje. Razlozi za ove izuzetke misterij su kao i za pravilnost.

U drugoj fazi istraživanja tim je istu analizu primijenio na današnje podatke o biomasama raznih vrsta i raznih veličina organizama. Zakon je uglavnom i dalje vrijedio, međutim zabilježeno je veliko odstupanje kod većih organizama čija je biomasa bila značajno manja od predviđanja.

"Čini se da su ljudski utjecaji značajno smanjili gornju trećinu spektra", napisao je tim u svom radu.

"Ljudi nisu samo zamijenili najveće grabežljivce oceana već su također, kumulativnim utjecajem svojeg djelovanja u protekla dva stoljeća, iz temelja promijenili protok energije kroz ekosustav."

Neekonomičnost industrijskog ribolova

Iako je udio ribe u godišnjoj ljudskoj potrošnji hrane manji od 3%, tim je otkrio da su ljudi svojim aktivnostima od 1800-ih smanjili biomasu ribe i morskih sisavaca za čak 60%. Podaci su još strašniji kada je riječ o najvećim životinjama – kitovima. Njihovu biomasu smanjili smo za 90%.

Galbraith ističe da ovi podaci ukazuju na neučinkovitost industrijskog ribolova. Postojeće strategije izlova troše puno više biomase i energije koju ona sadrži nego što u stvarnosti koristimo. Iz skupina najvećih vrsta organizama u oceanima je nestalo oko 2.7 gigatona biomase, dok je ukupna biomasa ljudi oko 0.4 gigatone.

Tim ističe da će trebati dodatna istraživanja kako bi se moglo razumjeti na koje sve načine ovaj ogroman gubitak biomase utječe na oceane.

"Dobra vijest je da možemo preokrenuti neravnotežu koju smo stvorili smanjenjem broja aktivnih ribarskih plovila diljem svijeta", kaže Galbraith.

"Smanjenje prekomjernog izlova također će pomoći da ribarstvo bude profitabilnije i održivije – to je potencijalna korist ako se udružimo", poručio je.

Zašto proizvođača koji su plijen može biti manje od potrošača?

Morski biolog Petar Kružić s PMF-a u Zagrebu kaže da istraživanje i razumijevanje kvantitativnog pogleda na stanje biomase u oceanima i morima danas postaje sve važnije jer ljudske aktivnosti i klimatske promjene stvaraju sve veći pritisak na morske ekosustave i mijenjaju osnovni sastav biomase, koji još uvijek nije dovoljno poznat.

Za Index je izložio jednu teoriju o nesrazmjeru biomase proizvođača i potrošača koji se njima hrane, koju predstavlja svojim studentima.

"U oceanima primarni proizvođači čine oko 20% ukupne biomase, koja je ravnomjerno raspoređena. Uvijek se postavlja pitanje kako mala biomasa proizvođača može održati veću biomasu potrošača? Sheldon je to lijepo opisao kao relativnu stopu prometa biomase proizvođača i potrošača. U oceanu se promet proizvođača događa u brzim vremenskim razmacima od jednog dana, dok veći potrošači poput riba ili rakova imaju mnogo dulje vrijeme prometa, od nekoliko mjeseci do godina. Tok energije, koji je proporcionalan biomasi i obrnuto proporcionalan vremenu prometa, još uvijek je veći kod proizvođača nego kod potrošača, što je uvjetovano očuvanjem energije. Iako je biomasa proizvođača mala, ona se okreće mnogo brže, pa je stoga produktivnost proizvođača veća od produktivnosti potrošača", tumači Kružić.

"Kod morskih životinja npr. glavne komercijalne skupine su ribe i rakovi, koji znatno nadmašuju biomasu većih organizama kao što su kitovi. Kod rakova dominiraju mali planktonski oblici kao što su kopepodi i kril. Zanimljivo je da biomasom kod riba većinom dominiraju male mezopelagijske ribe veličine par cm, koje se danju skrivaju na većim dubinama, na oko 1000 m, dok noću migriraju prema površini kako bi se hranile zooplanktonom, prvenstveno kopepodnim račićima. Ovi zadnji također migriraju noću prema plićem dijelu mora hraneći se fitoplanktonom. U ovom i jest kompleksnost, ali i genijalnost hranidbenog lanca", dodaje.

U Jadranu je situacija posebno loša

Praćenje globalne biomase morskih organizama ključno je za mjerenje utjecaja čovjeka, nažalost, negativnog, na oceane, kao što su prekomjerni izlov, zakiseljavanje mora, sve veća količina plastike i mikroplastike u moru, porast temperature mora i mnogi drugi negativni antropogeni učinci.

"Postoji problem prekomjernog izlova svih komercijalnih vrsta. Kada netko kaže da se npr. tuna u Mediteranu oporavila, a kao razlog je spomenut manji izlazak ribara na more zbog covida-19, to je samo trenutni privid jer je nemoguće da se riba oporavi kad je pod stalnim pritiskom. I dalje tvrdim da se ništa ne može napraviti bez stalne kontrole", kaže naš sugovornik.

"Kod nas na Jadranu je još gore jer te kontrole praktički nema. Uz smanjenje izlova, ne prekomjernog, već ukupnog, potrebno je što prije proglasiti pojedina područja zaštićenim od bilo kakvog antropogenog utjecaja, prvenstveno ribarstva. Osnivanjem i kontrolom takvih 'no take' zona vjerojatno bismo mogli učiniti nešto dobro za more. Čak i ako sada smanjimo brojnost aktivnih ribarskih plovila, treba dosta vremena da se sustav vrati u koliku-toliku ravnotežu, ako je to uopće više moguće. Diranjem u hranidbene lance u moru radimo neoprostivu grešku jer će se smanjenjem biomase pojedinih predatora ostale skupine u nižim poljima hranidbenog lanca moguće nekontrolirano širiti. Nitko ne želi da nam more postane fitoplanktonska juha. A mi to dodatno pospješujemo obogaćivanjem mora organskim tvarima kroz kanalizaciju i ostale ispuste u more", upozorava Kružić.