Благополучие человечества зависит от работы природных экосистем, которые обеспечивают нас всем — от чистого воздуха и плодородия почв до запасов древесины. Функционирование экосистем заключается в распределении потоков вещества и энергии и обеспечивается за счет разнообразия составляющих их биологических видов. Чтобы сохранять и восстанавливать эти системы, учёные стараются предсказать их реакцию на различные изменения среды. Главная сложность в том, что экосистемы часто изменяются не постепенно, а резко, меня свой статус после некоего «порога». Понимание природы «порогового эффекта» - одна из важных составляющих современных экологических исследований. Учёные описывают его с помощью модели «шарик в ямке». Устойчивость экосистемы тем больше, чем больше «глубина ямки». При воздействии экосистема – шарик, скатывается обратно. При уменьшении ямки, или при очень сильном воздействии шарик выскакивает из ямки и занимает новое положение. Виды, выполняющие определенные функции, оказывают давление на экологический ландшафт: чем больше мощность связанных с ними потоков вещества и энергии, тем больше глубина ямки. Изменение экосистемы с «пороговым эффектом» изучено в пространстве, прямые наблюдения за появлением порога во времени единичны.
Учёные из Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН (ИПЭЭ РАН) в ходе 19-летнего исследования (2006-2025 гг.) в Старицком Районе Тверской области смогли пронаблюдать такой пороговый эффект. Они изучали сообщества мелких млекопитающих (грызуны и землеройки) — индикаторов состояния экосистем. Специфика питания разных видов мелких млекопитающих хорошо известна и, зная плотность их населения (число особей на га) и массу зверьков, можно определить «глубину ямки», образуемой видами, связанными с той или иной экосистемой.
Работа велась на двух соседних участках с разной историей: на бывшем пастбище, которое сохранило черты природного луга, и на заброшенной пашне, где происходила быстрая смена растительности от разнотравного луга до молодого леса. Экстремальная засуха 2010 года привела в итоге к разным результатам. На устойчивом лугу (бывшее пастбище) сообщество зверьков не изменилось, но общая биомасса видов уменьшилась. А вот на зарастающей пашне, та же засуха вызвала пороговую трансформацию: луговая система, резко перешла к лесному типу.
Почему реакция была столь разной? Луг на пашне не успел сформироваться как экосистема, его «ямка» была мелкая. Мощная засуха легко преодолела этот порог и перевела экосистему в новое состояние. А у луга на выпасе - экосистеме, формировавшейся за многие десятилетия - «ямка» оказалась гораздо глубже и экосистема устояла перед тем же воздействием. Таким образом, это исследование впервые на конкретном примере показало, как одно и то же климатическое событие может привести либо к временным изменениям в сформировавшейся экосистеме, либо к полной перестройке сообществ в неструктурированной, т.е. находящиеся в стадии формирования, системе.