Τις τελευταίες δεκαετίες, τροφικές αλυσίδες σε όλο τον κόσμο - και ιδιαίτερα στη θάλασσα - μεταβάλλονται απότομα ως αποτέλεσμα πιέσεων στα οικοσυστήματα από την άμεση ανθρώπινη δραστηριότητα (π.χ. υπεραλίευση) και τις κλιματολογικές αλλαγές. Κορυφαίοι θηρευτές δίνουν τα σκήπτρα σε άλλους και οι πληθυσμοί των ειδών που αποτελούν τροφή για άλλα είδη μεταβάλλονται ριζικά. Σήμερα στα νερά της Ναμίμπια κυριαρχούν οι μέδουσες, μύκητες και πεινασμένα σαλιγκάρια κατατρώνε τους βάλτους της Βόρειας Καρολίνας, ενώ στο βορειοδυτικό Ατλαντικό ευδοκιμούν οι αστακοί, την ώρα που ο πληθυσμός των μπακαλιάρων έχει καταρρεύσει. Οι επιστήμονες περιμένουν πολλές ακόμα ανατροπές στις τροφικές αλυσίδες μέσα στα επόμενα χρόνια, όμως η πρόβλεψή τους, ώστε να ληφθούν μέτρα αποτροπής, δεν είναι εύκολη, λόγω της πολυπλοκότητας των τροφικών πλεγμάτων.

Αξιοποιώντας τριάντα χρόνια έρευνας και πειραματισμού σε οικοσυστήματα μικρών λιμνών, ο Σ. Κάρπεντερ, του Πανεπιστημίου του Γουισκόνσιν, και οι συνάδελφοί του πέτυχαν να αναπτύξουν μαθηματικά μοντέλα των οικολογικών δικτύων, που τους επιτρέπουν να εντοπίσουν έγκαιρα (τις περισσότερες φορές) τα σημάδια επερχόμενων σημείων καμπής. Με αυτά τα μοντέλα αρχίζουν να αποκρυπτογραφούν μερικούς από τους νόμους που καθορίζουν αν ένα τροφικό πλέγμα θα παραμείνει σταθερό ή περνώντας ένα κατώφλι θα μεταβληθεί ριζικά. Ενα σύστημα έγκαιρης προειδοποίησης θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να γίνουν επεμβάσεις, ή να σταματήσουν οι επεμβάσεις σε οικοσυστήματα, με στόχο την επαναφορά τους στην προηγούμενη ισορροπία. Η πρόληψη είναι το κλειδί, επειδή, όπως αποδεικνύεται, όταν ένα οικοσύστημα περάσει το σημείο καμπής, συχνά είναι πολύ δύσκολο να επανέλθει. Ενα τέτοιο σύστημα θα μπορέσει να εφαρμοστεί με συνέπεια και αποτέλεσμα μόνο όταν πάψει να είναι κίνητρο της οικονομικής δραστηριότητας το κέρδος, που εξαντλεί τα οικοσυστήματα και τους ανθρώπους που δουλεύουν και ζουν μέσα σ' αυτά.

Η δουλειά της ομάδας του Κάρπεντερ βασίζεται σε έναν αιώνα βασικής έρευνας για να απαντηθούν απλές ερωτήσεις: Γιατί ο πληθυσμός κάθε είδους είναι αυτός που είναι; Για παράδειγμα, γιατί υπάρχουν τόσες πολλές μύγες και τόσο λίγοι λύκοι; Γιατί οι πληθυσμοί των μυγών παρουσιάζουν μεγάλες διακυμάνσεις από χρόνο σε χρόνο; Για να απαντήσουν, οι επιστήμονες άρχισαν να κατασκευάζουν διαγράμματα τροφικών δικτύων, καταγράφοντας ποιο είδος έχει τροφή, ποιο και πόσα θηράματα τρώει κάθε θηρευτής. Τέτοια δίκτυα μπορεί να αποτελούνται από δεκάδες, εκατοντάδες, ακόμα και χιλιάδες είδη. Η περιπλοκότητα των διαγραμμάτων τα έκανε πρακτικά άχρηστα κουβάρια.

Για να λύσουν τα κουβάρια οι επιστήμονες μετέτρεψαν τα τροφικά δίκτυα σε μαθηματικά μοντέλα. Εγραψαν μια εξίσωση για την ανάπτυξη κάθε είδους, συνδέοντας το ρυθμό αναπαραγωγής του με το πόση τροφή μπορεί να έχει διαθέσιμη και πόσο συχνά τρώγεται από άλλα είδη. Λόγω του μεγάλου αριθμού των μεταβλητών, ακόμα και για μικρά δίκτυα, η επίλυση των εξισώσεων είναι δύσκολη. Η ανάπτυξη γρήγορων και φτηνών σε σχέση με το παρελθόν υπολογιστών έδωσε λύση στο πρόβλημα και επέτρεψε τα τελευταία χρόνια την προσομοίωση πολλών διαφορετικών ειδών οικοσυστημάτων.

Από αυτή τη δουλειά, οι επιστήμονες ανακάλυψαν μερικές βασικές αρχές. Τα περισσότερα τροφικά δίκτυα αποτελούνται από πολλούς ασθενείς δεσμούς, παρά από λίγους ισχυρούς. Δύο είδη είναι ισχυρά συνδεδεμένα, αν αλληλεπιδρούν πολύ, όπως ο θηρευτής που καταβροχθίζει μεγάλους αριθμούς ατόμων ενός συγκεκριμένου είδους. Είδη που είναι ασθενώς συνδεδεμένα, αλληλεπιδρούν σπάνια, όπως ο θηρευτής που τρώει πότε το ένα και πότε το άλλο είδος θηράματος και σε μικρή ποσότητα. Τα τροφικά δίκτυα κυριαρχούνται από πολλούς ασθενείς δεσμούς, επειδή έτσι είναι πιο σταθερά. Αν ένας θηρευτής τρέφεται με πολλά διαφορετικά είδη, μπορεί να επιβιώσει αν εξαφανιστεί ένα από αυτά. Και αν ένας θηρευτής μπορεί να τραφεί με ένα άλλο είδος επειδή κάποιο είδος θηράματος άρχισε να σπανίζει, τότε το είδος σε κίνδυνο έχει την ευκαιρία να ανακάμψει. Οι ασθενείς δεσμοί επιτρέπουν στα είδη να μην οδηγούν το ένα το άλλο στην εξαφάνιση.

Τα μαθηματικά μοντέλα αποκάλυψαν και ευάλωτα σημεία στα τροφικά δίκτυα, όπου μικρές αλλαγές μπορούν να οδηγήσουν σε μεγάλες ανατροπές ολόκληρα οικοσυστήματα. Τη δεκαετία του 1960, διατυπώθηκε η θεωρία ότι οι κορυφαίοι θηρευτές μπορούν να ασκήσουν μεγάλη επίδραση στους πληθυσμούς άλλων ειδών, ακόμα και εκείνων στα οποία δεν επιτίθενται. Η θεωρία αντιμετωπίστηκε με σκεπτικισμό, καθώς ο τρόπος που μπορούσε να συμβαίνει αυτό δεν ήταν γνωστός.

Μέσα από τις παρεμβάσεις σε οικοσυστήματα που έγιναν τις δεκαετίες που ακολούθησαν, οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι η θεωρία για την καθοριστική επίδραση των θηρευτών που βρίσκονται στην κορυφή της τροφικής αλυσίδας πράγματι ισχύει. Για παράδειγμα, η υπεραλίευση των καρχαριών στις ανατολικές ακτές των ΗΠΑ είχε το απρόσμενο αποτέλεσμα να μειωθούν κατακόρυφα οι πληθυσμοί στρειδιών και χτενιών. Οταν μειώθηκε ο αριθμός των κορυφαίων θηρευτών, αυξήθηκαν οι μέσοι θηρευτές, που τρέφονται με οστρακοειδή... Οταν εξαλείφθηκαν οι λύκοι από το πάρκο Γελοουστόουν, αυξήθηκαν τα μεγάλα ελάφια, που τρέφονται με φύλλα λεύκης, με αποτέλεσμα την καταστροφή των περισσότερων νεαρών δέντρων στα δάση του πάρκου.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1990 κατέρρευσε ο πληθυσμός των μπακαλιάρων στο βορειοδυτικό Ατλαντικό. Οι μπακαλιάροι είναι αχόρταγοι θηρευτές και η μείωσή τους στο 3 - 4% του προηγούμενου πληθυσμού είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση του αριθμού των θηραμάτων τους. Μετά την καταστροφή, η αλιευτική βιομηχανία των ΗΠΑ και του Καναδά αποφάσισε να επιτρέψει στους μπακαλιάρους να ανακάμψουν σταματώντας την αλίευση για μερικά χρόνια. Το μοντέλο που χρησιμοποίησε η επιστημονική ομάδα που προσέλαβαν έπαιρνε υπόψη μόνο το μεγάλο αριθμό των αυγών που γεννά κάθε φορά ένας μπακαλιάρος. Ομως, 6 χρόνια μετά ο πληθυσμός παρέμενε στα ίδια επίπεδα. Ο λόγος ήταν ότι τα θηράματα που ήταν τώρα πολλά τρέφονταν μεταξύ άλλων και με τα αυγά των μπακαλιάρων... Τελικά και ενώ είχε μείνει μόνο το 1% του αρχικού πληθυσμού, τα θηράματα πλήθυναν τόσο πολύ που ξέμειναν από τροφή, με αποτέλεσμα να αρχίσει να καταρρέει ο δικός τους πληθυσμός και οι μπακαλιάροι να ανέβουν στο 30%.

Σε άλλες περιπτώσεις, όταν η πλάστιγγα γείρει προς την άλλη μεριά, είναι πολύ δύσκολο να επανέλθει. Αυτό συμβαίνει με τα λεοντόψαρα του Ειρηνικού Ωκεανού, που εισήχθησαν ως κατοικίδια και όταν οι ιδιοκτήτες τους τα βαρέθηκαν τα πέταξαν στον Ατλαντικό. Είναι τόσο ακόρεστη η όρεξή τους για τα μικρά ψάρια, που κινδυνεύουν ακόμα και οι καρχαρίες της Καραϊβικής να μη βρίσκουν τροφή.

Η ομάδα του Κάρπεντερ διαπίστωσε ότι ένα - δύο κύκλους πριν την κατάρρευση ενός πληθυσμού, εμφανίζεται χαρακτηριστική και αυξανόμενη καθυστέρηση στην επαναφορά του συστήματος από διακυμάνσεις εξαιτίας μικρών περιβαλλοντικών επιδράσεων.