Investigadores del MIT han demostrado que el comportamiento de las comunidades ecológicas complejas puede predecirse a partir de dos datos.
En estudios con bacterias cultivadas en laboratorio, los investigadores lograron definir tres estados de las comunidades ecológicas, lo que les permitió crear un “diagrama de fases” para los ecosistemas.
La creación de este tipo de diagrama de fases podría ayudar a los ecólogos a hacer predicciones sobre lo que podría estar ocurriendo en los ecosistemas naturales.
Tratar de descifrar todos los factores que influyen en el comportamiento de las comunidades ecológicas complejas puede ser una tarea abrumadora. Sin embargo, los investigadores del MIT han demostrado ahora que el comportamiento de estos ecosistemas puede predecirse a partir de solo dos datos: el número de especies de la comunidad y la intensidad con la que interactúan entre sí.
En estudios con bacterias cultivadas en laboratorio, los investigadores lograron definir tres estados de las comunidades ecológicas y calcularon las condiciones necesarias para que pasaran de un estado a otro. Estos hallazgos permitieron a los investigadores crear un “diagrama de fases” para los ecosistemas, similar a los diagramas que utilizan los físicos para describir las condiciones que controlan la transición del agua de sólida a líquida y a gaseosa.
“Lo sorprendente y maravilloso de un diagrama de fases es que resume una gran cantidad de información de forma muy sencilla”, afirma Jeff Gore, catedrático de física del 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 de el estudio, que se publica hoy en Science. Jiliang Hu, estudiante de posgrado del MIT, es el primer autor del artículo. Entre los demás autores se encuentran Daniel Amor, antiguo becario postdoctoral del MIT; Matthieu Barbier, investigador del Instituto de Sanidad Vegetal de la Universidad de Montpellier, Francia; y Guy Bunin, catedrático de física del Instituto Tecnológico de Israel.
Dinámica poblacional
La dinámica de los ecosistemas naturales es difícil de estudiar porque, aunque los científicos pueden observar cómo interactúan las especies entre sí, por lo general no pueden realizar experimentos controlados en la naturaleza. El laboratorio de Gore se especializa en utilizar microbios, como bacterias y levaduras, para analizar de forma controlada las interacciones entre especies, con la esperanza de conocer mejor el comportamiento de 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 tempranas de advertencia de colapso poblacional. Durante ese tiempo, su laboratorio ha ampliado gradualmente el estudio de una o dos especies a la vez hasta llegar a ecosistemas de mayor escala.
Mientras avanzaban hacia el estudio de comunidades más grandes, Gore se interesó por poner a prueba algunas de las predicciones que los físicos teóricos han formulado sobre la dinámica de los ecosistemas grandes y complejos. Una de esas predicciones sostenía que los ecosistemas atraviesan fases de estabilidad variable en función del número de especies de la comunidad y del grado de interacción entre ellas. Según este marco, el tipo de interacción —depredadora, competitiva o cooperativa— no importa. Solo importa la intensidad de la interacción.
Para comprobar esa predicción, los investigadores crearon comunidades de entre dos y 48 especies de bacterias. En cada comunidad, controlaron el número de especies formando diferentes comunidades sintéticas con distintos conjuntos de especies. También lograron intensificar las interacciones entre especies aumentando la cantidad de alimento disponible, lo que hace que las poblaciones crezcan más y puede provocar además cambios ambientales, como una mayor acidificación.
“Para observar transiciones de fase en el laboratorio, es realmente necesario disponer de comunidades experimentales en las que uno mismo pueda girar los mandos y realizar mediciones cuantitativas de lo que ocurre”, afirma 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 estable”, en la que todas las especies coexisten sin interferir unas con otras.
A medida que aumentaban el número de especies o las interacciones entre ellas, las comunidades pasaban a una segunda fase, conocida como “coexistencia parcial estable”. En esta fase, las poblaciones permanecen estables, pero algunas especies se extinguen. La comunidad en su conjunto se mantuvo en un estado estable, lo que significa que la población regresa a un estado de equilibrio tras la extinción de algunas especies.
Por último, a medida que el número de especies o la intensidad de las interacciones aumentaba aún más, las comunidades entraron en una tercera fase, caracterizada por fluctuaciones más drásticas en la población. Los ecosistemas se volvieron inestables, lo que significa que las poblaciones fluctúan de forma persistente a lo largo del tiempo. Aunque se produjeron algunas extinciones, estos ecosistemas tendieron a presentar una mayor proporción global de especies supervivientes.
Predicción del comportamiento
A partir de estos datos, los investigadores pudieron trazar un diagrama de fases que describe cómo cambian los ecosistemas en función de solo dos factores: el número de especies y la intensidad de las interacciones entre ellas. Esto es análogo a la manera en que los físicos pueden describir los cambios en el comportamiento del agua a partir de solo dos condiciones: la temperatura y la presión. No es necesario conocer en detalle la velocidad y la 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 su dinámica pueden ser fenómenos emergentes que pueden predecirse a partir de unas pocas propiedades agregadas de la comunidad ecológica: el tamaño del conjunto de especies y las estadísticas de las interacciones entre especies”, afirma Hu.
La creación de este tipo de diagrama de fases podría ayudar a los ecólogos a hacer predicciones sobre lo que podría estar ocurriendo en ecosistemas naturales como los bosques, incluso con muy poca información, porque todo lo que necesitan saber es el número de especies y el grado en que interactúan.
“Podemos hacer predicciones o afirmaciones sobre lo que va a hacer la comunidad, incluso sin un conocimiento detallado de lo que ocurre”, afirma Gore. “Ni siquiera sabemos qué especies ayudan o perjudican a otras. Estas predicciones se basan únicamente en la distribución estadística de las interacciones dentro de esta compleja comunidad”.
Los investigadores estudian actualmente cómo el flujo de nuevas especies entre poblaciones por lo demás aisladas (similares a los ecosistemas insulares) afecta a la dinámica de esas poblaciones. Esto podría ayudar a arrojar luz sobre cómo las islas logran mantener la diversidad de especies incluso cuando se producen extinciones.
La investigación fue financiada, en parte, por la Fundación Alfred P. Sloan, el Premio Schmidt Polymath y la Fundación Israelí para la Ciencia.
