Tentar decifrar todos os fatores que influenciam o comportamento de comunidades ecológicas complexas pode ser uma tarefa assustadora. No entanto, pesquisadores do MIT mostraram agora 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 de sólido para líquido para gás.

"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", diz Jeff Gore, professor de física do MIT. "Podemos traçar um limite que prevê a perda de estabilidade e o início das flutuações de uma população."

Gore é o autor sênior do estudo, que aparece hoje na Science . Jiliang Hu, um estudante de pós-graduação do MIT, é o principal autor do artigo. Outros autores incluem Daniel Amor, ex-pós-doc do MIT; Matthieu Barbier, pesquisador do Plant Health Institute da Universidade de Montpellier, França; e Guy Bunin, professor de física do Instituto de Tecnologia de Israel.

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 de 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 estudavam comunidades maiores, 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 possa girar os botões e fazer medições quantitativas do que está acontecendo", diz Gore.

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

À medida que aumentava o número de espécies ou as interações entre elas, 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 flutuam persistentemente ao longo do tempo. Embora algumas extinções tenham ocorrido, esses ecossistemas tenderam a ter uma fração geral maior de espécies sobreviventes.

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 conhecimento detalhado da velocidade e posição exata de cada molécula de água.

"While we cannot access all biological mechanisms and parameters in a complex ecosystem, we demonstrate that its diversity and dynamics may be emergent phenomena that can be predicted from just a few aggregate properties of the ecological community:species pool size and statistics of interspecies interactions," Hu says.

The creation of this kind of phase diagram could help ecologists make predictions about what might be happening in natural ecosystems such as forests, even with very little information, because all they need to know is the number of species and how much they interact.

"We can make predictions or statements about what the community is going to do, even in the absence of detailed knowledge of what's going on," Gore says. "We don't even know which species are helping or hurting which other species. These predictions are based purely on the statistical distribution of the interactions within this complex community."

The researchers are now studying how the flow of new species between otherwise isolated populations (similar to island ecosystems) affects the dynamics of those populations. This could help to shed light on how islands are able to maintain species diversity even when extinctions occur. + Explorar mais

Changes in marine ecosystems are going undetected

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.