Notícia

O que leva os ecossistemas à instabilidade?

Fonte

MIT | Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Data

quarta-feira, 12 outubro 2022 12:05

Áreas

Ecologia. Dinâmica das Populações. Modelagem Ambiental. Sociedade. Sustentabilidade.

Tentar decifrar todos os fatores que influenciam o comportamento de comunidades ecológicas complexas pode ser uma tarefa pesada. No entanto, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), nos Estados Unidos, mostraram recentemente que o comportamento desses ecossistemas pode ser previsto com base em apenas duas informações: o número de espécies na comunidade e a intensidade com que elas interagem umas com as outras.

Em estudos com bactérias cultivadas em laboratório, os pesquisadores conseguiram definir três estados de comunidades ecológicas e calcularam as condições necessárias para que elas se deslocassem de um estado para outro. Essas descobertas permitiram que os pesquisadores criassem um ‘diagrama de fases’ para os ecossistemas, semelhante aos diagramas que os físicos usam para descrever as condições que controlam a transição da água do estado sólido para o estado líquido e para o estado gasoso.

“O que é incrível e maravilhoso sobre um diagrama de fases é que ele resume uma grande quantidade de informações de uma forma muito simples”, disse o Dr. Jeff Gore, professor de Física do MIT. “Podemos traçar um limite que prevê a perda de estabilidade e o início de flutuações de uma população”, continuou o pesquisador.

O professor Jeff Gore é o autor sênior do estudo, publicado na revista Science. Jiliang Hu,  estudante de pós-graduação do MIT, é o principal autor do artigo. Outros autores incluem o Dr. Daniel Amor, ex-pós-doc do MIT; o Dr. Matthieu Barbier, pesquisador do Plant Health Institute da Universidade de Montpellier, na França; e o Dr. Guy Bunin, professor de Física do Instituto de Tecnologia de Israel (Technion).

Dinâmica populacional

A dinâmica dos ecossistemas naturais é difícil de estudar porque, embora os cientistas possam fazer observações sobre como as espécies interagem umas com as outras, eles geralmente não podem fazer experimentos controlados na natureza. O laboratório do professor Gore é especializado no uso de micróbios como bactérias e leveduras para analisar interações entre espécies de maneira controlada, na esperança de aprender mais sobre como os ecossistemas naturais se comportam.

Nos últimos anos, seu laboratório demonstrou como o comportamento competitivo e cooperativo afeta as populações e identificou os primeiros sinais de alerta de colapso populacional. Durante esse tempo, seu laboratório gradualmente evoluiu do estudo de uma ou duas espécies de cada vez para ecossistemas de maior escala.

À medida que estudava comunidades maiores, o Dr. Jeff Gore se interessou em tentar testar algumas das previsões que os físicos teóricos fizeram sobre a dinâmica de ecossistemas grandes e complexos. Uma dessas previsões foi que os ecossistemas passam por fases de estabilidade variável com base no número de espécies na comunidade e no grau de interação entre as espécies. Sob essa estrutura, o tipo de interação – predatória, competitiva ou cooperativa – não importa. Apenas a força da interação importa.

Para testar essa previsão, os pesquisadores criaram comunidades que variam de duas a 48 espécies de bactérias. Para cada comunidade, os pesquisadores controlaram o número de espécies formando diferentes comunidades sintéticas com diferentes conjuntos de espécies. Eles também foram capazes de fortalecer as interações entre as espécies, aumentando a quantidade de alimentos disponíveis, o que faz com que as populações cresçam e também pode levar a mudanças ambientais, como o aumento da acidificação.

“Para ver as transições de fase no laboratório, é realmente necessário ter comunidades experimentais onde você mesmo possa ‘girar os botões’ e fazer medições quantitativas do que está acontecendo”, disse o pesquisador.

Os resultados dessas manipulações experimentais confirmaram que as teorias previram corretamente o que aconteceria. Inicialmente, cada comunidade existia em uma fase chamada de ‘existência plena estável’, na qual todas as espécies coexistem sem interferir umas nas outras.

À medida que o número de espécies ou interações entre elas aumentavam, as comunidades entravam em uma segunda fase, conhecida como ‘coexistência parcial estável’. Nesta fase, as populações permanecem estáveis, mas algumas espécies foram extintas. A comunidade geral permaneceu em um estado estável, o que significa que a população retorna a um estado de equilíbrio após a extinção de algumas espécies.

Finalmente, à medida que o número de espécies ou a força das interações aumentaram ainda mais, as comunidades entraram em uma terceira fase, que apresentou flutuações mais dramáticas na população. Os ecossistemas tornaram-se instáveis, o que significa que as populações flutuaram persistentemente ao longo do tempo.

Previsão de comportamento

Usando esses dados, os pesquisadores conseguiram desenhar um diagrama de fases que descreve como os ecossistemas mudam com base em apenas dois fatores: número de espécies e força das interações entre elas. Isso é análogo a como os físicos são capazes de descrever as mudanças no comportamento da água com base em apenas duas condições: temperatura e pressão. Não é necessário um conhecimento detalhado da velocidade e posição exata de cada molécula de água.

“Embora não possamos acessar todos os mecanismos e parâmetros biológicos em um ecossistema complexo, demonstramos que sua diversidade e dinâmica podem ser fenômenos emergentes que podem ser previstos a partir de apenas algumas propriedades agregadas da comunidade ecológica: tamanho do conjunto de espécies e estatísticas de interações interespécies”, disse Jiliang Hu.

A criação desse tipo de diagrama de fases pode ajudar os ecologistas a fazer previsões sobre o que pode estar acontecendo em ecossistemas naturais como florestas, mesmo com muito pouca informação, pois tudo o que eles precisam saber é o número de espécies e o quanto elas interagem.

“Podemos fazer previsões ou declarações sobre o que a comunidade fará, mesmo na ausência de conhecimento detalhado do que está acontecendo. Nós nem sabemos quais espécies estão ajudando ou prejudicando quais outras espécies. Essas previsões são baseadas puramente na distribuição estatística das interações dentro dessa comunidade complexa”, explicou o professor Jeff Gore.

Os pesquisadores estão agora estudando como o fluxo de novas espécies entre populações isoladas (o que seria semelhante a ecossistemas insulares) afeta a dinâmica dessas populações. Isso pode ajudar a esclarecer como as ilhas são capazes de manter a diversidade de espécies mesmo quando ocorrem extinções.

Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (em inglês).

Fonte: Anne Trafton, MIT News Office. Imagem: A adição de mais espécies ao ecossistema levou à instabilidade e grandes flutuações na população. Fonte: William Lopes, Laboratório do Dr. Jeff Gore, MIT.