Descubren cómo los ecosistemas se vuelven inestables

Los ecosistemas son sistemas sumamente complejos en los que incluso cambios relativamente menores pueden desencadenar consecuencias a gran escala. Por todo eso, sin embargo, solo conocer dos variables puede ayudarnos a predecir la salud de un ecosistema. Estos, según científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts, son el número de especies y la fuerza de sus interacciones.

Los investigadores del MIT, que se especializan en examinar las interacciones entre especies entre microbios durante experimentos controlados en el laboratorio, se propusieron calcular qué condiciones eran necesarias para que las comunidades pasaran de un estado a otro durante tres estados distintos de desarrollo.

Este enfoque produjo un "diagrama de fase", que se asemeja a los diagramas empleados por los físicos para rastrear las condiciones requeridas para que el agua pase de estado sólido a líquido y a estado gaseoso.

“Lo asombroso y maravilloso de un diagrama de fase es que resume una gran cantidad de información en una forma muy simple. Podemos trazar un límite que predice la pérdida de estabilidad y la aparición de fluctuaciones de una población”, explica Jeff Gore, profesor de física en el MIT que lideró el proyecto, cuyos hallazgos acaban de publicarse en un estudio .

“Para poder ver las transiciones de fase en el laboratorio, realmente es necesario tener comunidades experimentales donde usted mismo pueda girar las perillas y hacer mediciones cuantitativas de lo que está sucediendo”, agrega.

Comportamientos de las poblaciones

Gore y sus colegas demostraron previamente cómo los comportamientos competitivos y cooperativos afectan a las poblaciones, lo que les ayudó a identificar señales de alerta temprana del colapso de la población en ecosistemas más grandes. En el proceso, Gore decidió probar algunas de las predicciones que los físicos teóricos han 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 la cantidad 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”, explican los científicos.

Para probar esa predicción, Gore y sus colegas crearon comunidades de bacterias de hasta 48 especies. En cada uno, los investigadores controlaron el número de especies formando diferentes comunidades con diferentes conjuntos de especies.

Luego fortalecieron las interacciones entre especies al aumentar la cantidad de alimentos disponibles, lo que permitió que las poblaciones aumentaran mientras causaban cambios ambientales, como una mayor acidificación. Las pruebas confirmaron la predicción de que, al principio, cada comunidad existiría en una fase de "existencia completa y estable", en la que todas las especies coexistirían con poca o ninguna interferencia.

Logrando estabilidad en los ecosistemas

Sin embargo, cuando aumentó el número de especies o sus interacciones, las comunidades entraron en una segunda fase denominada “coexistencia parcial estable”, en la que las poblaciones se mantienen estables mientras algunas especies se extinguen. “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”, explican los científicos.

Una vez que el número de especies o la fuerza de sus interacciones aumentaron aún más, las comunidades entraron en una tercera fase, que estuvo marcada por una mayor inestabilidad con fluctuaciones mucho más dramáticas en la población. Sin embargo, incluso cuando algunas especies se extinguieron, estos ecosistemas aún tenían un mayor número total de especies que sobrevivieron.

“Usando estos datos, pudimos 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”, señalan los científicos.

“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”, añaden.

Esta comprensión de los ecosistemas es importante porque ahora se pueden hacer predicciones precisas sobre ellos en función de unos pocos hechos conocidos.

“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”, dice Jiliang Hu, un estudiante de posgrado en el MIT que fue una parte clave del proyecto.

Una herramienta importante

Un diagrama de fase como este, agrega Gore, puede ayudar a los ecólogos a hacer predicciones sobre lo que podría estar sucediendo en ecosistemas naturales como los bosques, incluso con poca información disponible porque todo lo que necesitarán saber es la cantidad de especies residentes y qué tan cerca 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 lastimando a qué otras especies. Estas predicciones se basan únicamente en la distribución estadística de las interacciones dentro de esta comunidad compleja”.

El trabajo adicional en el MIT ahora está examinando el flujo de nuevas especies entre poblaciones aisladas, como aquellas similares a los ecosistemas insulares, que afectan 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”, señalan.

Por Daniel T. Cross. Artículo en inglés