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Tratar de descifrar todos los factores que influyen en el comportamiento de comunidades ecológicas complejas puede ser una tarea abrumadora. Sin embargo, los investigadores del MIT ahora han demostrado que el comportamiento de estos ecosistemas se puede predecir con solo dos datos: la cantidad de especies en la comunidad y la fuerza con la que interactúan entre sí.
En estudios de bacterias cultivadas en el laboratorio, los investigadores han podido definir tres estados de comunidades ecológicas y calcular las condiciones necesarias para que cambien de un estado a otro. Estos descubrimientos permitieron a los investigadores crear un «diagrama de fase» para los ecosistemas, similar a los diagramas que usan los físicos para describir las condiciones que controlan la transición del agua de sólido a líquido a gas.
«Lo sorprendente y maravilloso de un diagrama de fase es que resume mucha información de una forma muy simple», dice el profesor de física del MIT, Jeff Gore. «Podemos trazar una frontera que prediga la pérdida de estabilidad y la aparición de fluctuaciones en una población».
Gore es el autor principal del estudio, que aparece hoy en La ciencia. Jiliang Hu, estudiante de posgrado del MIT, es el autor principal del artículo. Otros autores incluyen a Daniel Amor, ex postdoctorado del MIT; Matthieu Barbier, investigador del Instituto de Sanidad Vegetal de la Universidad de Montpellier, Francia; y Guy Bunin, profesor de física en el Instituto de Tecnología de Israel.
Dinámica poblacional
La dinámica de los ecosistemas naturales es difícil de estudiar porque, si bien los científicos pueden hacer observaciones sobre cómo las especies interactúan entre sí, por lo general no pueden realizar experimentos controlados en la naturaleza. El laboratorio de Gore se especializa en el uso de microbios como bacterias y levaduras para analizar interacciones interespecíficas de forma controlada, con la esperanza de aprender más sobre el comportamiento de los ecosistemas naturales.
En los últimos años, su laboratorio ha demostrado cómo los comportamientos competitivos y cooperativos afectan a las poblaciones e identificado señales de alerta temprana del colapso de la población. Durante este tiempo, su laboratorio se expandió gradualmente del estudio de una o dos especies a la vez a ecosistemas de mayor escala.
Mientras trabajaban para estudiar comunidades más grandes, Gore se interesó en probar algunas de las predicciones que los físicos teóricos habían hecho sobre la dinámica de ecosistemas grandes y complejos. Una de estas predicciones fue que los ecosistemas pasan por fases de estabilidad variable según el número de especies en la comunidad y el grado de interacción entre las especies. En este marco, el tipo de interacción -depredadora, competitiva o cooperativa- no importa. Sólo cuenta la fuerza de la interacción.
Para probar esta predicción, los investigadores crearon comunidades que van de dos a 48 especies de bacterias. Para cada comunidad, los investigadores controlaron el número de especies formando diferentes comunidades sintéticas con diferentes conjuntos de especies. También pudieron mejorar las interacciones de las especies al aumentar la cantidad de alimentos disponibles, lo que conduce a un mayor crecimiento de la población y también puede provocar cambios ambientales, como una mayor acidificación.
«Para ver las transiciones de fase en el laboratorio, es realmente necesario tener comunidades experimentales en las que puedas girar las perillas tú mismo y hacer mediciones cuantitativas de lo que está pasando», dice Gore.
Los resultados de estas manipulaciones experimentales confirmaron que las teorías habían predicho correctamente lo que sucedería. Inicialmente, cada comunidad existía en una fase denominada «existencia plena y estable», en la que todas las especies conviven sin interferir entre sí.
A medida que aumentaba el número de especies o las interacciones entre ellas, las comunidades entraban en una segunda fase, conocida como «coexistencia parcial estable». En esta fase, las poblaciones se mantienen estables, pero algunas especies han desaparecido. La comunidad en general se ha mantenido en un estado estable, lo que significa que la población está volviendo a un estado de equilibrio después de la extinción de ciertas especies.
Finalmente, a medida que aumentaba más el número de especies o la fuerza de las interacciones, las comunidades entraban en una tercera fase, caracterizada por mayores fluctuaciones de población. Los ecosistemas se han vuelto inestables, lo que significa que las poblaciones fluctúan constantemente con el tiempo. Aunque se han producido algunas extinciones, estos ecosistemas tendían a tener una fracción general más grande de especies supervivientes.
Predecir el comportamiento
Usando estos datos, los investigadores pudieron dibujar un diagrama de fase que representa cómo cambian los ecosistemas en función de solo dos factores: la cantidad de especies y la fuerza de las interacciones entre ellas. Esto es análogo a cómo los físicos pueden describir los cambios en el comportamiento del agua en función de solo dos condiciones: temperatura y presión. No es necesario un conocimiento detallado de la velocidad y posición exactas de cada molécula de agua.
“Aunque no podemos acceder a todos los mecanismos y parámetros biológicos de un ecosistema complejo, demostramos que su diversidad y dinámica pueden ser fenómenos emergentes que se pueden predecir a partir de algunas propiedades agregadas de la comunidad ecológica: tamaño del grupo de especies y estadísticas de interespecíficas. interacciones», dice Hu.
Crear este tipo de diagrama de fase podría ayudar a los ecólogos a hacer predicciones sobre lo que podría suceder en ecosistemas naturales como los bosques, incluso con muy poca información, porque todo lo que necesitan saber es el número de especies y su grado de interacción.
“Podemos hacer predicciones o afirmaciones sobre lo que hará la comunidad, incluso en ausencia de un conocimiento detallado de lo que está sucediendo”, dice Gore. “Ni siquiera sabemos qué especies ayudan o perjudican a qué otras especies. Estas predicciones se basan únicamente en la distribución estadística de las interacciones dentro de esta comunidad compleja.
Los investigadores ahora están investigando cómo el flujo de nuevas especies entre poblaciones aisladas (similares a los ecosistemas insulares) afecta la dinámica de esas poblaciones. Esto podría ayudar a arrojar luz sobre cómo las islas pueden mantener la diversidad de especies incluso frente a la extinción.
La investigación fue financiada, en parte, por la Fundación Alfred P. Sloan, el Premio Schmidt Polymath y la Fundación de Ciencias de Israel.
