Gjennombrudd i økologien: Hukommelse påvirker dyrs vandringsmønster

Hvordan varierer størrelsen på dyrebestander over tid – og fra sted til sted? Og hvorfor? Hvor sårbare er dyrene for inngrep i naturen? Vil de klare å flytte seg med klimaendringene? Dette er viktige spørsmål i økologisk forskning – og noe som det investeres mye i å forstå. Men tenk om et av grunnpremissene for viktige deler av forskningen viser seg å være feil?

TRIST: – Det er trist at originale og utfordrende forskningsideer har så dårlige vekstvilkår i Norge, sier Arild O. Gautestad og Ivar Mysterud. Formelen avdekker bruk av minnekart hos dyr: Den angir hvordan et antall lokaliseringer (N) av et dyr forventes å fordele seg innenfor et antall ruter (Ik) på en gitt romlig oppløsning (k). Ved å estimere parametrene c og D gjennom å variere N og k, kan man tolke dyrets atferd innen en statisktisk-mekanisk forklaringsmodell. (Foto: Francesco Saggio)

– Jeg har fulgt det rådet som en fysiker en gang ga meg: ”Ta tak i det du opplever er det merkeligste i faget ditt, og følg det sporet!” Karrieremessig har det vært et feilspor. I starten havnet jeg på siden av deler av fagmiljøet og ble nødt til å starte eget firma for å skaffe inntekter. Men det var nødvendig å tenke helt nytt, poengterer forsker Arild O. Gautestad, som er tilknyttet Biologisk institutt ved Universitetet i Oslo.

Å modellere dyrs bevegelsesmønstre er helt grunnleggende i økologien. I den såkalte populasjonsdynamikken lages modeller som gir kunnskap om kompliserte prosesser i naturen og som kan belyse og forutsi effekten av ulike miljøendringer. Denne kunnskapen blir stadig viktigere, for eksempel for å kunne forvalte arter som er truet av miljøendringer og bekjempe arter som er uønsket.

– Dette kan ikke stemme!

Allerede for 20 år siden fikk Gautestad en klar fornemmelse av at noe var grunnleggende galt: Han kunne rett og slett ikke finne noe godt samsvar mellom økologenes teoretiske modeller og hvordan dyr faktisk oppfører seg i terrenget, hvordan de utnytter miljøet omkring seg.

– På Biologisk institutts kurs i populasjondynamikk fikk jeg tidlig innføring i de tradisjonelle modellene. Det var da jeg begynte å bli skeptisk til måten disse modellene er bygd opp på, erkjenner Gautestad.

– Denne skepsisen ble stadig sterkere etter hvert som jeg startet utviklingen av egne modeller for populasjonsdynamikk. Jeg følte at de egenskapene jeg ønsket å fange opp, ikke lot seg formulere på en fornuftig måte. Den matematiske verktøykassen tvang modellene inn i en form som virket urealistisk på et helt fundamentalt plan.

Dyr er ikke molekyler

Men hva var det som var så galt?

Helt siden 1930-tallet har økologer vært opptatt av å bygge matematiske modeller for hvordan dyr sprer seg i terrenget. Datateknologien de siste tiårene har gjort modellene stadig mer avanserte. Det statistiske og matematiske rammeverket har økologene hentet fra kjemi og fysikk, hvor ”byggeklossene” er molekyler og andre fysiske partikler. Men er det ikke en liten hake her? For dyr oppfører seg vel ikke nødvendigvis på samme måte som molekyler og partikler?

Jo, skal vi tro modellbyggerne i økologien: De forutsetter nemlig at dyr fordeler seg i tid og rom på en måte som kan beskrives for eksempel med diffusjonslikninger. Tenk deg at du slipper en dråpe blekk i et badekar med vann. Blekket sprer seg sakte utover, og til slutt er alt vannet farget i samme lyseblå farge. Dette er diffusjon. ”Blekkmolekylene” dyttes helt tilfeldig rundt.

Derfor snakker biologene om ”virrevandring”, ”random walk” eller såkalte ”brownske bevegelser” når de studerer dyrs bevegelsesmønster. For nærmere 200 år siden la biologen Robert Brown merke til at pollenkorn i et glass vann sett gjennom et mikroskop, så ut til å ”hoppe” på en tilfeldig måte. Det var først Einstein som forstod at hoppingen skyldtes ”usynlige” vannmolekyler som traff dem. Han skjønte også at ved å studere pollenkornenes bevegelse, kunne han finne ut hvor mange molekyler som traff det enkelte pollenkorn og hvor raskt vannmolekylene beveget seg.

– Prosessen er fullstendig minneløs: Det er her og nå, her og nå, her og nå hele tiden. Økologene bruker de samme prinsippene når de utvikler teorier for hvordan dyr fordeler seg i landskapet, konstaterer forskeren.

Og slik vil en hare, for eksempel, starte på et gitt punkt og så velge en tilfeldig retning for neste hopp helt upåvirket av tidligere erfaring. Etter hvert vil dyret bevege seg bort fra stedet det startet. Når en så ser på alle hoppene, hvert enkelt markert som en prikk på et kart, vil det danne seg et slags mønster. Og studerer en alle prikkene over lang tid, vil det se ut som et diffusjonsmønster.

Dette er overtro!

Gautestad ber oss så tenke oss at vi observerer et molekyl i en løsning med vann. Plutselig foretar molekylet et stort sprang nøyaktig tilbake dit det befant seg på et gitt tidspunkt i går, relativt uberørt av mellomliggende kollisjoner med andre molekyler. En slik observasjon ville Einstein, og enhver annen fysiker, avfeid som ren metafysikk.

– Men det er nettopp slik pattedyr, fugler, krypdyr og amfibier oppfører seg. De utnytter sin romlige hukommelse, sitt minnekart. Det betyr at de har evnen til å forholde seg til noe som de ikke ser og lukter og føler her og nå, men som allikevel påvirker hvordan de oppfører seg i øyeblikket: ”Jeg har beitet i dette dalsøkket noen dager, og det har vært bra. Men i fjor på denne tida av året, var jeg på andre siden av åsen der borte. Der fant jeg mye godt beite. Så nå springer jeg dit.”

– Men er ikke dette ganske selvinnlysende?

– Vi prøvde et par ganger å sende manuskriptene til tidsskrifter for den delen av biologien som heter atferdsbiologi. Tekstene kom i retur med følgende begrunnelse: Selvfølgelig har dyr minnekart og forholder seg til historien. Er ikke dette bare en tungvint måte å vise noe som allerede er kjent? For meg var dette en aha-opplevelse. Vi fikk synliggjort at det fins et fagmiljø som ser på dette som selvsagt. Men det gjør ikke modellbyggerne innen populasjonsdynamikk og dyrs bevegelsesmønster. Det har bestandig vært en stor kløft mellom teori og empiri på dette feltet i økologien, konstaterer Gautestad.

– Alltid vært skeptisk

Hos én av atferdsbiologene på Biologisk institutt, UiO, ble forskeren likevel møtt med faglig støtte og entusiasme, nemlig førsteamanuensis Ivar Mysterud. Han er en av landets mest kjente rovdyreksperter. Gjennom et langt forskerliv i felten har han ervervet stor kunnskap om hvordan dyr faktisk oppfører seg i terrenget.

– Jeg så helt fra starten av den samme konflikten mellom teori og virkelighet som Gautestad. Jeg har alltid vært skeptisk til de tradisjonelle modellene i økologien. Når dyr bruker minnekart, gir dette et mer komplekst spredningsbilde. Og dette kan ikke tradisjonell, statistisk fysikk modellere på en realistisk måte, fastslår Mysterud.

Det var først da Gautestad begynte å analysere tallene til Mysterud for en flokk sauer på utmarksbeite, at misforholdet mellom teori og virkelighet ble tydelig. Mysterud og hans studenter hadde peilet hvor dyrene befant seg fra dag til dag. Gautestad analyserte dataene og fikk fram et mønster som ikke skulle vært der hvis premissene fra økologimodellene stemte: Han fant for eksempel ikke noen klar sammenheng mellom habitat – det vil si det området der de fysiske og biologiske forholdene samsvarer best med sauens krav til livsmiljø – og tettheten av sauer.

– Når det enkelte dyr bruker langtidsminnet sitt, fører det til en selvforsterkende bruk av noen beiteområder på bekostning av andre lokaliteter innen leveområdet og som i utgangspunktet er like gode. Hvert dyr har en tendens til å gjenbruke kjente lokaliteter, konstaterer forskerne.

Begynte helt forfra

De forstod snart at de måtte bygge opp noe nytt helt fra grunnen av. Fordi dyrepopulasjoner består av individer, var de først nødt til å forstå dynamikken for hvert enkelt dyr.

– Vi ville finne ut hvordan atferden til enkeltindivider kan modelleres på en måte som speiler virkeligheten mye bedre enn før, sier Mysterud.

Det bærende prinsipp om hvordan dyrepopulasjoner fordeler seg i terrenget, er tradisjonelt basert på sentrale komponenter fra statistisk mekanikk, som er et stort felt i fysikken.

– Statistisk mekanikk forklarer på partikkelnivå hva som skjer på makronivå. Det betyr at en uhyre komplisert verden – myriader av molekylære bevegelser – forenkles til noen enkle, målbare størrelser, slike som trykk, temperatur og volum – og forholdet mellom disse. Dette er et svært godt rammeverk for fysikken, og passer for ”minneløse” partikkelbevegelser uten hukommelse. Målet var å få til noe tilsvarende for biologien – i en ny variant av statistisk mekanikk, hvor effekten fra romlig langtidsminne på mikronivå er tatt hensyn til, forklarer Gautestad.

Mur av ignorans

Det har vært en del prøving og feiling. Ikke så rart, kanskje, for her er det snakk om grunnforskning på et av de mest sentrale, men også teoretisk aller vanskeligst tilgjengelige feltene innen økologien. Hvordan skulle de greie det ingen hadde greid før, nemlig å inkludere effekten av langtidsminne i modellene innenfor et modifisert statistisk-mekanistisk rammeverk? Gautestad lette lenge etter et redskap, og etter hvert fant han fram til fraktalgeometrien, som beskriver komplekse, romlige mønstre. Den omfattende oppgaven gikk naturlig nok ut over publseringsfrekvensen, selve suksessmålet innen forskning. Det begynte med noen ideer og små forslag til manuskripter som ble presentert på seminarer og konferanser både lokalt og internasjonalt.

– Ideene ble – med få unntak – møtt med rare blikk og hoderysten. Vi opplevde at dørene lukket seg. Forskningens bærebjelke er at eksisterende teori må falsifiseres under testing av nye hypoteser: Dette kravet er i praksis utsatt for strengere bedømming jo mer avvikende den nye hypotesen er. Men det kan være tungt i tillegg å møte en forskningssosiologisk mur av ignorans. Det fremsto stadig tydeligere at dette måtte bli en lang og strevsom prosess inn i ukjent terreng.
Men verken Gautestad eller Mysterud vurderte noen gang å gi opp.

– Det var bare å bite tennene sammen, utvikle teorien skritt for skritt og kjøre på med nye analyser. Underveis måtte selvsagt de løpende resultatene publiseres, men det var ikke lett, erkjenner forskerkollegene.

Men gradvis gjennom atten år har de to bygd opp, stein på stein, grunnmuren for det som kan bli en helt ny form for statistisk mekanikk, den såkalte Multi-scaled Random Walk-modellen (MRW). For det begynner de nå å høste internasjonal anerkjennelse. Interessen for modellutfordringene knyttet til dyrs langtidsminne har øket sterkt de siste par årene, og MRW refereres nå stadig oftere av andre forskere.

Gir et presist bilde

Den nye modellen gir et langt mer realistisk bilde av hvordan dyr utnytter sitt levemiljø.

– Hvis vi sitter med et prikk-kart der prikkene utgjør gjentatte lokaliseringer av et individ, så skulle prikktettheten si noe om hvor god miljøkvaliteten er, skal vi tro det gamle paradigme. Men ved å se på prikktettheten direkte, får vi samtidig inn en masse støy i de statistiske målingene. Det skyldes den selvforsterkende bruken av noen lokaliteter som dyret utvikler en forkjærlighet for. Slik minnebrukeffekt gir feilkilder av en annen type enn det som forventes av individer som oppfører seg mer klassisk i modellmessig forstand. Tenk på blekket i badekaret: Istedenfor for lyseblått badevann, vil vannet etter hvert bli preget av tilfeldig spredte blekkflekker av ulik størrelse – i et selvorganisert mønster som kan beskrives som en såkalt statistisk fraktal, forteller Gautestad.

Men nå kan økologene, ved hjelp av Gautestads matematiske formel (se bilde), filtrere vekk denne effekten.

– Vi kan, med langt større presisjon enn før, si hvor mye av bevegelsene som skyldes påvirkninger fra miljøet omkring, og hvor mye som skyldes indre krefter i dyret selv, det vil si om dyret har brukt minnekart, påpeker han.

I tillegg kan modellen avsløre om dyrets bevegelser primært har vært en følge av sanseinntrykk fra øyeblikk til øyeblikk, og som resulterer i for eksempel flukt eller tiltrekning, eller om dyret, ved hjelp av langtidsminnet, også har utnyttet miljøet over flere romlige skalaer.

– I så fall vil årsaken til et konkret skifte i lokalisering ofte fristilles fra den lokale situasjonen. Taktisk, fortløpende respons på sanseinntrykk kan bli skjøvet til side for å oppnå et strategisk mål utenfor sansenes rekkevidde i øyeblikket. Vår modell gir dermed et mye skarpere bilde fordi den kan tilpasset dyrenes atferd på en mer realistisk måte, poengterer Gautestad

– Glem Forskningsrådet!

De to forskerne får nå artikler publisert i det ene anerkjente tidsskriftet etter det andre. De er glade for det, men synes det er trist at originale og utfordrende forskningsideer har så dårlige vekstvilkår i Norge.

– Da jeg presenterte de første ’ville’ ideene mine på begynnelsen av 1990-tallet, stod Ivar Mysterud på som bare rakkeren for at jeg skulle få stipend og dermed muligheten til å gå videre med tankeideene mine. Det fikk jeg – etter mye motstand. Da ble de første frøene sådd. Senere har jeg fått noe støtte gjennom det Ivar har klart å fiske opp av småmidler fra alle mulige steder, som Tiltaksfondet for småfe. Noe midler har jeg også mottatt via fakultet og ulike forskningsgrupper jeg har vært tilknyttet: Ti tusen der, tretti tusen der, sånt småtteri. Men utgiftene har jeg først og fremst dekket av egne midler, mer enn én million kroner er det blitt. Kommer du med nye og utfordrende ideer, kan du glemme Forskningsrådet før teorien er godt etablert. Det er ikke mulig å få midler derfra i en tidlig fase, uten full prioritet fra en godt etablert forskningsgruppe, erkjenner Gautestad.

– Støtt lokale spirer

Mysterud mener at instituttene må sikres økonomisk romslighet, slik at de kan støtte lokale spirer til de er modne for Forskningsrådet.

– Det bør være mekanismer som gjør at nye frø får muligheten til å prøve sin spireevne. Vi slåss ikke for mer, men for en omfordeling av midlene. Det må bli flere midler til friere forskning, og en andel av disse må kanaliseres ned til grunnforskningsinstituttene igjen, slik det var før, poengterer han.

Noen fast stilling på Universitetet i Oslo har Arild Gautestad kunnet se langt etter.

– Vil du gjøre karriere, må du innordne deg, slik 90 prosent gjør: Søk deg til en etablert faggruppe, og velg noe som knytter opp mot og forsterker det gruppa står for. Om du likevel skulle velge å satse på noen som ligger langt fra de etablerte gruppenes fokus, så blir det en ensom kamp i starten. Da er du nødt til å ha en ganske stor porsjon av stahet og tro på det du gjør. For å få den nødvendige friheten over tilstrekkelig lang tid, må du være forberedt på å finansiere forskningen utenom de tradisjonelle kanalene, og i verste fall fra egne midler.

– For neste generasjon grunnforskere håper vi betingelsene blir
bedre, slik at vi kan råde dem: Grip fatt i det du føler er det merkeligste i faget ditt, og følg det sporet. Og kanskje er det du som skal bringe verden et lite steg framover.

FRIERE FORSKNING!

Ivar Mysterud og Arild Gautestad er initiativtakere til et opprop der vitenskapelige ansatte og studenter ved UiO krever bedre finansiering av fri forskning.
(Se: http://www.friereforskning.com).

Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Zoologiske og botaniske fag, Økologi Av Trine Nickelsen
Publisert 1. feb. 2012 11:41
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere