Human impacts on minimum subsets of species critical for maintaining ecosystem structure

Humans have indirectly influenced species at lower trophic levels by driving losses of apex consumers. Furthermore, humans have indirectly influenced species at higher trophic levels by driving losses of primary producers. Beyond these broad classes of apex consumers and primary producers, it remains challenging to identify minimum subsets of species that are particularly important for maintaining ecosystem structure and functioning. Here we use a novel method at the intersection of control theory and network theory to identify a minimum set of driver node species upon which ecosystem structure strongly depends. Specifically, humans could unintentionally completely restructure ecosystems (i.e., change species abundances from any initial values to any final values, including zero) by altering the abundances of these few critical driver node species. We then quantify the proportion of these driver nodes that are influenced by humans, top predators, and primary producers in several marine food webs. We find that humans could unintentionally completely restructure marine food webs while only directly influencing less than one in four species. Additionally, humans directly influence: (1) most or all of the species necessary to completely restructure each network, (2) more driver nodes than top predators, and at least as many driver nodes as primary producers, and (3) an increasing proportion of driver nodes over time in the Adriatic Sea. We conclude that humans have potentially huge impacts on marine ecosystems while directly influencing only the relatively small subset of species that are currently fished. It may be possible to reduce unintentional and undesirable cascading human influences by decreasing human impacts on driver node species in these and other food webs.

ZusammenfassungDer Mensch hat Arten auf unteren trophischen Ebenen indirekt beeinflusst, indem er Verluste bei Spitzenkonsumenten verursachte. Der Mensch hat aber auch Arten auf höheren trophischen Ebenen indirekt beeinflusst, indem er Verluste bei Primärproduzenten bewirkt hat. Jenseits dieser groben Gruppierungen von Spitzenkonsumenten und Primärproduzenten stellt sich die Aufgabe, die kleinsten Untergruppen von Arten zu identifizieren, die besonders wichtig für den Erhalt von Struktur und Funktion von Ökosystemen sind. Hier nutzen wir eine neuartige Methode an der Schnittstelle von Kontrolltheorie und Netzwerktheorie, um eine Minimalgruppe von Steuerknotenarten zu identifizieren, von denen die Ökosystemstruktur besonders stark abhängt. Insbesondere der Mensch könnte unbeabsichtigt Ökosysteme vollständig umgestalten (d.h. die Abundanzen der Arten von beliebigen Ausgangswerten hin zu beliebigen Endwerten, einschließlich null, verändern), indem er die Abundanzen dieser wenigen entscheidenden Steuerknotenarten verändert. Wir bestimmen dann den Anteil dieser Steuerknoten, die in verschiedenen marinen Nahrungsnetzen vom Menschen, von Gipfelräubern oder Primärproduzenten beeinflusst werden. Wir finden, dass der Mensch marine Nahrungsnetze unbeabsichtigt vollständig umgestalten könnte, obwohl er direkt nur weniger als jede vierte Art beeinflusst. Darüber hinaus beeinflusst der Mensch (1) die meisten oder alle Arten, die erforderlich sind, um das Netzwerk vollständig umzugestalten, (2) mehr Steuerknoten als die Top-Prädatoren und mindestens so viele Steuerknoten wie die Primärproduzenten, sowie (3) einen im Laufe der letzten 100000 Jahre zunehmenden Anteil von Steuerknoten im Adriatischen Meer. Wir schließen, dass der Mensch potentiell einen gewaltigen Einfluss auf marine Ökosysteme ausübt, während er direkt nur auf die relativ kleine Gruppe von Arten einwirkt, die gegenwärtig befischt werden. Möglicherweise ließen sich die unbeabsichtigten und nicht wünschenswerten kaskadierenden menschlichen Einflüsse reduzieren, indem der menschliche Einfluss auf die Steuerknotenarten in diesen und anderen Nahrungsnetzen reduziert wird.