DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10710-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42386959
تاريخ النشر: 2026-07-01
المؤلف: Andrew D. Barnes وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات الديناميات البيئية والنباتية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في العلاقة بين التنوع البيولوجي ووظيفة النظام البيئي (BEF) عبر مستويات غذائية مختلفة ضمن شبكات غذائية معقدة. على الرغم من التأثيرات الإيجابية المعروفة للتنوع البيولوجي على وظائف النظام البيئي عند مستوى غذائي واحد، إلا أن تباين هذه التأثيرات في الأنظمة متعددة المستويات الغذائية لا يزال غير مفهوم جيدًا. من خلال تحليل تدفقات الطاقة المتعلقة بالاستهلاك الأولي والافتراس في 318 شبكة غذائية متنوعة من النظم البيئية البحرية والعذبة والبرية، تجد الدراسة أن وظيفة النظام البيئي تتحسن باستمرار مع زيادة غنى الأنواع. يُعزى هذا التحسن إلى تنوع عمودي أكبر وتكامل غذائي بين المفترسات في شبكات غذائية أكثر تنوعًا.
تؤكد النتائج على الدور الحاسم للمفترسات في الحفاظ على وظائف النظام البيئي مثل السيطرة البيولوجية واستقرار التنوع البيولوجي، خاصةً لأنها غالبًا ما تكون الأكثر عرضة للاضطرابات الناتجة عن الأنشطة البشرية. تسلط النتائج الضوء على أهمية الحفاظ على التعقيد الغذائي لدعم العلاقات الإيجابية بين التنوع البيولوجي ووظيفة النظام البيئي، مما يبرز الترابط بين تغير التنوع البيولوجي وصحة النظام البيئي.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التأثير الكبير للأنشطة البشرية على التنوع البيولوجي العالمي ووظيفة النظام البيئي. تؤكد أنه على الرغم من أن العديد من الدراسات وثقت التأثيرات الإيجابية للتنوع البيولوجي على وظائف النظام البيئي، إلا أن معظم هذه الأدلة تأتي من أنظمة مبسطة، وغالبًا ما تقتصر على مستويات غذائية واحدة. يجادل المؤلفون بأن فهم العلاقة بين التنوع البيولوجي ووظيفة النظام البيئي (BEF) يتطلب التركيز على الشبكات الغذائية المعقدة، التي تشمل مستويات غذائية متعددة تتفاعل بطرق متنوعة. يحددون آليتين رئيسيتين – التنوع العمودي والتكامل الغذائي – اللتين تؤثران على هذه العلاقة، مقترحين أن كل من المستوى الغذائي الأقصى واختلاف تفاعلات المستهلك-المورد تلعب أدوارًا حاسمة في إنتاجية النظام البيئي ووظيفته.
تهدف الورقة إلى تحليل مساهمات هذه الآليات عبر 318 شبكة غذائية معقدة، تشمل مجموعة واسعة من التفاعلات بين مختلف السكان في النظم البيئية البحرية والعذبة والتربة. من خلال استخدام نهج طاقة الشبكة الغذائية، سيقوم المؤلفون بتحديد الاستهلاك الأولي والافتراس، وتقييم كيفية تأثير غنى الأنواع على وظيفة النظام البيئي من خلال التنوع العمودي والتكامل الغذائي. يفترضون أن زيادة التنوع العمودي ستعزز الافتراس بينما قد تقلل من الاستهلاك الأولي بسبب السيطرة من الأعلى، بينما سيحسن التكامل الغذائي الأكبر كل من الاستهلاك الأولي والافتراس من خلال تسهيل تقسيم الموارد بين المستهلكين. تسعى هذه الاستكشافات متعددة الأوجه إلى تعميق الفهم لكيفية الحفاظ على التنوع البيولوجي لوظائف النظام البيئي في بيئات طبيعية ومعقدة.
الطرق
ت outlines قسم الطرق في الورقة البحثية الإطار التحليلي المستخدم للتحقيق في هيكل الشبكة الغذائية العائمة في البحيرات ذات الحموضة المتفاوتة ضمن منطقة جبال أدييرونداك في الولايات المتحدة الأمريكية. تشير الدراسة إلى هافنز (1993)، الذي يوفر فهمًا أساسيًا للديناميات البيئية في هذه البيئات المائية. من المحتمل أن تشمل المنهجية تحليلات مقارنة لمكونات الشبكة الغذائية، مثل المنتجين الأساسيين والمستهلكين، عبر مستويات حموضة مختلفة، مما يسمح بتقييم كيفية تأثير الحموضة على التفاعلات الغذائية وصحة النظام البيئي بشكل عام.
من المتوقع أن تساهم النتائج من هذا القسم في الفهم الأوسع لعلم البيئة المائية، خاصة فيما يتعلق بكيفية تأثير العوامل البشرية، مثل الأمطار الحمضية، على التنوع البيولوجي واستقرار الشبكة الغذائية في الأنظمة المائية العذبة.
النتائج
تظهر نتائج التحليل عبر الأنظمة البيئية ارتباطًا إيجابيًا قويًا بين غنى الأنواع وكلا من معدلات الاستهلاك الأولي والافتراس عبر شبكات غذائية متنوعة. على وجه الخصوص، أشار نموذج التأثيرات المختلطة الخطية إلى معاملات كبيرة للاستهلاك الأولي ($\beta = 0.85 \pm SE 0.11$, $p < 0.001$) والافتراس ($\beta = 1.89 \pm SE 0.20$, $p < 0.001$)، مما يشير إلى أن زيادة غنى الأنواع تعزز وظيفة النظام البيئي. من الجدير بالذكر أن هذه التأثيرات استمرت حتى بعد التحكم في كثافة المستهلكين، مما يدل على أن العلاقات الملاحظة ليست مشوشة بتباين وفرة المستهلكين. يتنبأ التحليل بزيادات كبيرة في الاستهلاك الأولي (حتى 1297% مع زيادة محتملة قدرها 1875 J يوم$^{-1}$ م$^{-2}$) والافتراس (زيادة بنسبة 7050%، أو 375 J يوم$^{-1}$ م$^{-2}$) مع ارتفاع غنى الأنواع عبر الأنظمة البيئية المدروسة. علاوة على ذلك، كشفت نمذجة المعادلات الهيكلية (SEM) أن تأثيرات غنى الأنواع على معدلات الافتراس تتأثر بتعقيد الشبكة الغذائية، وخاصة التنوع العمودي والتكامل الغذائي للمفترسات. تشير النتائج إلى أن فقدان التنوع البيولوجي، خاصة عند المستويات الغذائية الأعلى، قد يؤدي إلى انخفاضات كبيرة في معدلات الافتراس، مما قد ينتج عنه انخفاض بمقدار أربعة أضعاف في سيناريوهات فقدان 50% من التنوع البيولوجي. يبرز هذا الدور الحاسم للمفترسات في الحفاظ على عمليات النظام البيئي، بما في ذلك السيطرة البيولوجية وتنظيم التنوع البيولوجي. تؤكد الدراسة على أهمية هيكل الشبكة الغذائية في التوسط في العلاقات بين التنوع البيولوجي ووظيفة النظام البيئي، مع الاعتراف أيضًا بالتباين غير المفسر الذي قد ينشأ من عوامل بيئية أخرى والحاجة إلى تحسين المعايير في جمع بيانات الشبكة الغذائية.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون منهجيتهم لتحديد وظيفة النظام البيئي متعددة المستويات الغذائية من خلال تدفقات الطاقة عبر 318 شبكة غذائية. باستخدام نهج طاقة الشبكة الغذائية المطبق في حزمة R ‘fluxweb’، قاموا بحساب تدفقات الطاقة من الموارد إلى المستهلكين من خلال حل نظام من المعادلات التي تتضمن الاستهلاك الأولي والافتراس. تم تعريف الاستهلاك الأولي على أنه إجمالي تدفق الطاقة من العقد الأساسية إلى مستهلكيها، بينما تم حساب الافتراس من العقد غير الأساسية إلى مستهلكين آخرين. بالإضافة إلى ذلك، تم اشتقاق معدلات الافتراس لكل فرد لتقييم التأثيرات من الأعلى للمفترسات على الفريسة، وتم تقييم الاستقرار المحلي للشبكات الغذائية باستخدام مصفوفة جاكوبين المجتمعية.
استكشف المؤلفون أيضًا التنوع العمودي للشبكة الغذائية والتكامل الغذائي من خلال تعريف المستويات الغذائية بناءً على مقاييس متوسطة الفريسة واستخدام مؤشر جاكارد لقياس التشابه الغذائي بين المستهلكين. قاموا بحساب الاختلاف الغذائي لتقييم التكامل بين المستهلكين الأساسيين والمفترسات. تضمنت التحليلات الإحصائية بناء نماذج تأثيرات مختلطة خطية ذات تقاطع عشوائي (LMMs) ونماذج المربعات الصغرى العامة (GLS) لفحص العلاقة بين غنى الأنواع ووظيفة النظام البيئي. استخدموا نمذجة المعادلات الهيكلية (SEM) لتوضيح التأثيرات المباشرة وغير المباشرة لغنى الأنواع على معدلات الاستهلاك الأولي والافتراس، مع تضمين المستوى الغذائي الأقصى والتكامل الغذائي كمتغيرات وسيطة. تأكد المؤلفون من قوة النموذج من خلال مجموعة متنوعة من الفحوصات الإحصائية، بما في ذلك مقارنات AIC وتقييم العلاقات غير الخطية، مما يوفر في النهاية إطارًا شاملاً لفهم ديناميات النظام البيئي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10710-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42386959
Publication Date: 2026-07-01
Author(s): Andrew D. Barnes et al.
Primary Topic: Ecology and Vegetation Dynamics Studies
Overview
The research investigates the relationship between biodiversity and ecosystem functioning (BEF) across various trophic levels within complex food webs. Despite established positive effects of biodiversity on ecosystem functions at a single trophic level, the variability of these effects in multitrophic systems remains poorly understood. By analyzing energy fluxes related to primary consumption and predation in 318 diverse food webs from marine, freshwater, and terrestrial ecosystems, the study finds that ecosystem functioning consistently improves with increased taxon richness. This enhancement is attributed to greater vertical diversity and trophic complementarity among predators in more diverse food webs.
The results underscore the critical role of predators in maintaining ecosystem functions such as biological control and biodiversity stability, particularly as they are often the most susceptible to anthropogenic disturbances. The findings highlight the importance of conserving trophic complexity to sustain positive BEF relationships, thereby emphasizing the interconnectedness of biodiversity change and ecosystem health.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant impact of human activities on global biodiversity and ecosystem functioning. It emphasizes that while numerous studies have documented the positive effects of biodiversity on ecosystem functions, most of this evidence comes from simplified systems, often limited to single trophic levels. The authors argue that understanding the biodiversity-ecosystem functioning (BEF) relationship requires a focus on complex food webs, which encompass multiple trophic levels that interact in diverse ways. They identify two key mechanisms—vertical diversity and trophic complementarity—that influence this relationship, suggesting that both the maximum trophic level and the dissimilarity of consumer-resource interactions play critical roles in ecosystem productivity and functioning.
The paper aims to analyze the contributions of these mechanisms across 318 complex food webs, encompassing a vast array of interactions among various populations in marine, freshwater, and soil ecosystems. By employing a food-web energetics approach, the authors will quantify primary consumption and predation, assessing how taxon richness affects ecosystem functioning through vertical diversity and trophic complementarity. They hypothesize that increased vertical diversity will enhance predation while potentially reducing primary consumption due to top-down control, whereas greater trophic complementarity will improve both primary consumption and predation by facilitating resource partitioning among consumers. This multifaceted exploration seeks to deepen the understanding of how biodiversity maintains ecosystem functions in natural, complex environments.
Methods
The methods section of the research paper outlines the analytical framework employed to investigate the pelagic food web structure in lakes of varying acidity within the Adirondack Mountain region of the USA. The study references Havens (1993), who provides a foundational understanding of the ecological dynamics in these aquatic environments. The methodology likely includes comparative analyses of food web components, such as primary producers and consumers, across different acidity levels, allowing for an assessment of how acidity influences trophic interactions and overall ecosystem health.
The findings from this section are expected to contribute to the broader understanding of aquatic ecology, particularly in relation to how anthropogenic factors, such as acid rain, affect biodiversity and food web stability in freshwater systems.
Results
The results of the cross-ecosystem analysis demonstrate a robust positive correlation between taxon richness and both primary consumption and predation rates across diverse food webs. Specifically, the linear mixed effects model indicated significant coefficients for primary consumption ($\beta = 0.85 \pm SE 0.11$, $p < 0.001$) and predation ($\beta = 1.89 \pm SE 0.20$, $p < 0.001$), suggesting that increased taxon richness enhances ecosystem functioning. Notably, these effects persisted even after controlling for consumer density, indicating that the observed relationships are not confounded by variations in consumer abundance. The analysis predicts substantial increases in primary consumption (up to 1297% with a potential increase of 1875 J day$^{-1}$ m$^{-2}$) and predation (7050% increase, or 375 J day$^{-1}$ m$^{-2}$) with rising taxon richness across the studied ecosystems. Furthermore, the structural equation modeling (SEM) revealed that the effects of taxon richness on predation rates are influenced by food web complexity, particularly vertical diversity and predator trophic complementarity. The findings suggest that biodiversity loss, particularly at higher trophic levels, could lead to significant declines in predation rates, potentially resulting in a four-fold decrease under scenarios of 50% biodiversity loss. This highlights the critical role of predators in maintaining ecosystem processes, including biological control and biodiversity regulation. The study underscores the importance of food web structure in mediating biodiversity-ecosystem functioning relationships, while also acknowledging the unexplained variance that may arise from other environmental factors and the need for improved standards in food web data collection.
Discussion
In this section, the authors discuss their methodology for quantifying multitrophic ecosystem functioning through energy fluxes across 318 food webs. Utilizing the food web energetics approach implemented in the ‘fluxweb’ R package, they calculated energy fluxes from resources to consumers by solving a system of equations that incorporates primary consumption and predation. Primary consumption was defined as the total energy flux from basal nodes to their consumers, while predation was calculated from non-basal nodes to other consumers. Additionally, per capita predation rates were derived to assess the top-down effects of predators on prey, and local stability of food webs was evaluated using the community Jacobian matrix.
The authors further explored food web vertical diversity and trophic complementarity by defining trophic levels based on prey-averaged metrics and employing the Jaccard index to measure dietary similarity between consumers. They calculated trophic dissimilarity to assess complementarity among primary consumers and predators. Statistical analyses involved constructing random-intercept linear mixed effects models (LMMs) and generalized least squares (GLS) models to examine the relationship between taxon richness and ecosystem functioning. They employed structural equation modeling (SEM) to elucidate direct and indirect effects of taxon richness on primary consumption and predation rates, incorporating maximum trophic level and trophic complementarity as intermediary variables. The authors ensured model robustness through various statistical checks, including AIC comparisons and the assessment of non-linear relationships, ultimately providing a comprehensive framework for understanding ecosystem dynamics.