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 en función de 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 pudieron definir tres estados de comunidades ecológicas y calcularon las condiciones necesarias para que se muevan de un estado a otro. Estos hallazgos 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 asombroso y maravilloso de un diagrama de fase es que resume una gran cantidad de información en una forma muy simple», dice Jeff Gore, profesor de física en el MIT. «Podemos trazar un límite que predice la pérdida de estabilidad y el inicio de las fluctuaciones de una población».
Gore es el autor principal del estudio, que aparece hoy en Ciencias. 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 las interacciones entre especies de forma controlada, con la esperanza de aprender más sobre cómo se comportan los ecosistemas naturales.
En los últimos años, su laboratorio ha demostrado cómo el comportamiento competitivo y cooperativo afecta a las poblaciones y ha identificado señales de alerta temprana de colapso de la población. Durante ese tiempo, su laboratorio se ha desarrollado gradualmente desde el estudio de una o dos especies a la vez hasta ecosistemas de mayor escala.
Mientras trabajaban para estudiar comunidades más grandes, Gore se interesó en tratar de probar algunas de las predicciones que los físicos teóricos habían hecho con respecto a la dinámica de ecosistemas grandes y complejos. Una de esas predicciones fue que los ecosistemas se mueven a través de fases de estabilidad variable según el número de especies en la comunidad y el grado de interacción entre las especies. Bajo este marco, el tipo de interacción (depredadora, competitiva o cooperativa) no importa. Solo importa la fuerza de la interacción.
Para probar esa 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 fortalecer las interacciones entre especies al aumentar la cantidad de alimentos disponibles, lo que hace que las poblaciones crezcan más y también puede provocar cambios ambientales, como una mayor acidificación.
«Para ver las transiciones de fase en el laboratorio, realmente es necesario tener comunidades experimentales en las que puedas girar las perillas tú mismo y hacer mediciones cuantitativas de lo que está sucediendo», dice Gore.
Los resultados de estas manipulaciones experimentales confirmaron que las teorías habían predicho correctamente lo que sucedería. Inicialmente, cada comunidad existió en una fase llamada «existencia plena estable», en la que todas las especies coexisten 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 se extinguieron. La comunidad en general permaneció en un estado estable, lo que significa que la población vuelve a un estado de equilibrio después de que algunas especies se extinguen.
Finalmente, a medida que aumentaba aún más el número de especies o la fuerza de las interacciones, las comunidades entraban en una tercera fase, que presentaba fluctuaciones más dramáticas en la población. Los ecosistemas se volvieron inestables, lo que significa que las poblaciones fluctúan persistentemente con el tiempo. Si bien ocurrieron algunas extinciones, estos ecosistemas tendieron a tener una fracción general más grande de especies sobrevivientes.
Predicción del comportamiento
Usando estos datos, los investigadores pudieron dibujar un diagrama de fase que describe cómo cambian los ecosistemas en función de solo dos factores: el número 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 se necesita un conocimiento detallado de la velocidad y posición exactas de cada molécula de agua.
«Si bien no podemos acceder a todos los mecanismos y parámetros biológicos en un ecosistema complejo, demostramos que su diversidad y dinámica pueden ser fenómenos emergentes que se pueden predecir a partir de unas pocas propiedades agregadas de la comunidad ecológica: tamaño del grupo de especies y estadísticas de interacciones entre especies, «Hu dice.
La creación de este tipo de diagrama de fase podría ayudar a los ecologistas a hacer predicciones sobre lo que podría estar sucediendo en ecosistemas naturales como los bosques, incluso con muy poca información, porque todo lo que necesitan saber es la cantidad de especies y cuánto interactúan.
«Podemos hacer predicciones o afirmaciones sobre lo que hará la comunidad, incluso en ausencia de un conocimiento detallado de lo que está pasando», dice Gore. «Ni siquiera sabemos qué especies están ayudando o perjudicando a otras especies. Estas predicciones se basan únicamente en la distribución estadística de las interacciones dentro de esta comunidad compleja».
Los investigadores ahora están estudiando 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 cuando ocurren extinciones.
La investigación fue financiada, en parte, por la Fundación Alfred P. Sloan, el Premio Schmidt Polymath y la Fundación de Ciencias de Israel.
