איך מוצאים דפוסים קבועים בעולם משתנה?

בתחום האקולוגיה, אנו חוקרים את מערכות היחסים בין היצורים החיים, ובינם לבין סביבותיהם. אנו זקוקים לאקולוגיה כדי להבין כיצד הטבע פועל. המחקר האקולוגי מסייע לנו לייצר מזון בריא, לשמור על ניקיון האוויר והמים ולתמוך במִגוון הביולוגי, שהוא מִגוון החיים על פני כדור הארץ. אקולוגים שואפים למצוא דפוסים קבועים בנתונים שהם אוספים מהטבע, כדי שיוכלו להיטיב להבינוֹ. הבנה טובה יותר של הטבע מסייעת למדענים לבצע תחזיות מדויקות יותר לגבי השפעתם של איּוּמים כמו שינויי האקלים, על המגוון הביולוגי. לא קל למצוא דפוסים קבועים, זאת כיוון שהסביבה משתנה, והאורגניזמים מגוונים להפליא. מסיבות אלו, דפוסים הם כמו אוצרות נסתרים עבור האקולוגים. עם זה אחד הדפוסים שאנו חוזרים ומוצאים בטבע בכל קהילה אקולוגית, הוא שרוב הזנים הם נדירים, כלומר, קיימים במספרים קטנים, בעוד שמינים מעטים הם נפוצים, כלומר, קיימים בשפע ומתפרשׂים על פני שטחים גדולים (איור 1) [1].

מהי חשיבוּת המינים הנדירים?

אם כן, באופן מפתיע מעט, נראה כי רוב הזנים על פני כדור הארץ הם נדירים! האם צריך להיות לנו אכפת מאותם מינים נדירים? התשובה היא כן! אוכלוסיות קטנות ונדירות רגישוֹת יותר להפרעות סביבתיות כמו שׂרפות, שׁיטפונות או התפרצויות של מזיקים, ולכן, זנים נדירים מצויים בסיכון גבוה יותר להכחדה. עלינו לנטֵּר בתשומת לב מינים נדירים, כדי להבטיח שאוכלוסיות אלו יישארו בריאוֹת. חשוב לעקוב אחר שינויים המתרחשים באוכלוסיות זנים נדירים לאורך זמן או באזורים גיאוגרפיים נרחבים. הדבר יסייע לנו להעריך בצורה טובה יותר את ההשפעות האפשריות של שינויים סביבתיים על המערכת האקולוגית. נוסף על כך אנו יודעים כי זנים ממלאים תפקידים מסוימים במערכות אקולוגיות. לדוגמה, חרקים מאביקים מאפשרים לרבים מהצמחים להתרבּוֹת. באופן דומה, צמחים הגדֵלים באזורי בִּצָּה מגינים על האדמה מפני שיטפונות וסוּפוֹת. לזנים נדירים עשויים להיות תפקידים ייחודיים, ולכן ייתכן שלהכחדתם תהיינה השלכות משמעותיוֹת על המערכות האקולוגיות שלהם.

מה הופך זנים לנפוצים או לנדירים?

כיוון שזנים נדירים הם כה חשובים, עָלֵינו למצוא דרכים לאמוד עד כמה זן מסוים הוא נדיר. זה אולי נראה קל, אך אקולוגים מנהלים על כך ויכוחים זה שנים. עדיין אין הסכמה במאת האחוזים לגבי המאפיינים שהופכים זן לנדיר. עם זה בדרך כלל נכללים בהגדרה שני מאפיינים: תְּפוּסָה ורִיבּוּי [2]. דַּמְיְנוּ שאנו עורכים סֶקֶר בקהילה אקולוגית בכמה אתרים (המכונים ריבּוּעֵי דיגוּם). בקֶרֶב זנים נדירים, נְצפה לריבוי נמוך (פרטים בודדים בכל האזור), ולתפוסה נמוכה (הימצאות במעט אתרים, איור 2). אנו מנסים לסווג זנים בהתבסס על מאפיינים אלו. אולם, חשנו כי סיווג זנים פשוט כ’נדירים’ וכ’נפוצים’, אינו מעניק לנו מספיק מידע כדי להבין כיצד הקהילות האקולוגיות מאורגנות. הַביטו, לדוגמה, בזן cשבאיור 2B. הוא אומנם מסווג כנדיר, אך רחוק למדי משאר הזנים הנדירים בגרף. כדי להבין עד כמה ’נדיר’ הוא זן נדיר, עָלֵינו להביא בחשבון את המספרים האמיתיים, שכּן המדע פועל באופן מיטבי עם דברים שניתן למדוד במספרים.

בהיבט המִּספרי

מתמטיקאים פיתחו שיטות לקיבוץ (כינוס, הכללה בקבוצה) של דברים, בעזרת משוואות מורכבוֹת המכונות ’שיטות קיבוץ’ [3]. ישנם שני סוגי שיטות כאלה: קיבוץ קשה וקיבוץ רך. באיור 2B, השתמשנו בנתוני התפוסה והריבוי במסגרת שיטת קיבוץ קשה. לפי שיטה זו, ניתן לשייך כל פריט מהקטגוריות שאנו מביאים בחשבון, לקטגוריה אחת בלבד. לכן, במקרה זה כל אחד מהזנים יכול להיות נפוץ או נדיר. באיור 2C, השתמשנו באותם הנתונים, הפעם בשיטת קיבוץ רך. במסגרת שיטה זו, כל זן הוא נפוץ ונדיר בו בזמן, אך ביחסים שונים. לדוגמה, זן c הוא 71% נדיר ו-29% נפוץ. מידת הנדירוּת של כל הזנים הנדירים האחרים, היא יותר מ-95%. לכן, נוכל לומר ש-c הוא נדיר, אך ש-d, e, f ו-g נדירים יותר מ-c.

על אודות היישׂוּמוֹן שפיתחנו

הרעיונות הללו הובילו אותנו לפתֵּח יישׂומון ממוחשב משלנו, כדי לאפיין קהילות אקולוגיות. אנו מכנים יישומון זה FuzzyQ, ומשמעות השֵׁם היא: ’כִּמּוּת רך של זנים נפוצים ונדירים בקהילות אקולוגיות’. כתבנו את היישומון בשפת התכנות R. בחרנו בה כיוון שזו תוכנה חינמית לסטטיסטיקה ולגרפיקה, שכל אחד יכול להשתמש בה [4].

נוסף על עריכת קיבוץ רך של זנים, FuzzyQ עושה דברים מגניבים אחרים. לדוגמה, היא מְחשבת מִספרים המכונים ’צלליות’ (איור 3). הצלליות מודדות עד כמה כל זן מתאים למִקבץ שלו (המורכב מזנים נדירים או נפוצים). ערכים הקרובים ל-1 מצביעים על התאמה טובה של הזן למִקבץ שבו הוא נמצא. באיור 3B2, ניתן לראות כי לשני זנים נדירים (המסומנים בחיצים), ישנן צלליות נמוכות, כיוון שעֵרֶךְ הריבוי שלהם נמוך, אך ערך התפוסה שלהם די גבוה (איור 3B1). מסיבות אלו, הם אינם נפרדים במובהק מהמינים הנפוצים כמו שאר המינים הנדירים. באופן כללי, הצלליות של הקהילה באיור 3A2 מראות הפרדה ברורה יותר בין זנים נפוצים לזנים נדירים, מאשר הקהילה שבה אנו מתבוננים באיור 3B2.

תרשימי צלליות מאפשרים לנו להשוות בקלות בין קהילות, אפילו אם המינים בכל קהילה שונים. כשאנו עושים שימוש בתרשימי הצלליות, ביכולתנו להשוות בין שינויים סביבתיים ברחבי אזורים גדולים מאוד. לדוגמה, ציפורים בסוואנה של אפריקה שונות למדי מציפורי אָחוּ באירופה. אולם אנו יכולים להשוות בין שתי קהילות הציפורים הללו על ידי שימוש בצלליות הזנים, כאשר אנו בוחנים מהו הפיזור של זנים נפוצים ונדירים בכל קהילה.

FuzzyQ יכול לסייע בשימור זנים נדירים

איוּמים משמעותיים על המגוון הביולוגי, כמו ההתחממות הגלובלית והשתלטות מינים פולשים [5], עלולים לערער את יציבותן של קהילות ביולוגיות. לכן, חשוב לחקור אותם. זנים נדירים רגישים במיוחד לשינויים סביבתיים. יישׂוּמוֹן FuzzyQ יכול לספֵּק מידע חיוני על אודות הדרך שבה השינויים שמתרחשים בתוך מערכות אקולוגיות עשויים להשפיע על זנים נדירים. היישומון מציע דרך פשוטה למעקב אחר השינויים בנדירוּת הזן לאורך זמן, או על פני אזורים גדולים. נוסף על כך הוא קל לשימוש וחינמי. מסיבות אלו, FuzzyQ יכול להיות כלי רב-ערך עבור מדענים – לסיוע לשימור זנים נדירים, ולהגנה על המערכות האקולוגיות של העולם מפני השפעות של הפרעות סביבתיות.

מימון

מחקר זה זכה למימון מטעם המשרד למדעים ולחדשנות של ספרד (PID2019-104908GB-I00). VS נתמך על ידי הסוכנות הפולנית הלאומית לחילופי אקדמאים (PPN/ULM/2019/1/00177/U/00001). CL-B מודה על התמיכה שניתנה לה במסגרת מענק מחקר לפוסט-דוקטורט מטעם המכון הטכנולוגי של ציריך, ETH (20-2 FEL-67).

מילון מונחים

מגוון ביולוגי (Biodiversity): ↑ מִגוון הדברים החיים על פני כדור הארץ. המגוון הביולוגי כולל את מגוון הגֶּנים, הזנים והמערכות האקולוגיות.

קהילה אקולוגית (Ecological Community): ↑ יחסי הגומלין בין מגוון האוכלוסיות באזור מסוים. לדוגמה, קהילה שמצויה בבריכה כוללת דגים, צמחים, חסילוֹנים, צפרדעים, חרקים והרבה אורגניזמים זעירים אחרים.

אוכלוסייה (Population): ↑ כל הפרטים בני אותו זן החיים באזור מסוים. לדוגמה, כל הגורילות החיות באותו היער מהוות אוכלוסייה.

תְּפוּסָה (Occupancy): ↑ מִספר האתרים שבהם קיים זן, או גודלם.

רִיבּוּי (Abundance): ↑ המספר הכולל של פרטים בני אותו הזן באזור מסוים.

קיבוץ קשה (Hard Clustering): ↑ שיטה סטטיסטית שמטרתה לקבץ דברים, המשייכת כל אחד מהפרטים לקבוצה אחת בלבד.

קיבוץ רך (Fuzzy Clustering): ↑ שיטה סטטיסטית שמטרתה לקבץ דברים, המשייכת כל אחד מהפרטים ליותר מקבוצה אחת, ביחסים משתנים.

מין פולש (Invasive Species): ↑ זן שנדד מהאזור המקומי שלו, שבו הוא גדֵל באופן טבעי, לאזור שבו הוא בדרך כלל מֵסֵב נזק לזנֵי האזור החדש.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כל המחקר נערך בהעדר כי קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.

הצהרת כלי בינה מלאכותית

טקסט חלופי הנלווה לאיורים במאמר זה נוצר על ידי פרונטירז בסיוע כלי בינה מלאכותית, ונעשו מאמצים על מנת להבטיח את דיוקו, כולל בדיקה על ידי כותבי המאמר כאשר הדבר התאפשר. אם ברצונכם לדווח על בעיה, אנו צרו איתנו קשר.