Cercare di decifrare tutti i fattori che influenzano il comportamento di complesse comunità ecologiche può essere un compito arduo. Tuttavia, i ricercatori del MIT hanno ora dimostrato che il comportamento di questi ecosistemi può essere previsto sulla base di due sole informazioni:il numero di specie nella comunità e la forza con cui interagiscono tra loro.

Negli studi sui batteri coltivati ​​in laboratorio, i ricercatori sono stati in grado di definire tre stati di comunità ecologiche e hanno calcolato le condizioni necessarie per spostarsi da uno stato all'altro. Questi risultati hanno permesso ai ricercatori di creare un "diagramma di fase" per gli ecosistemi, simile ai diagrammi utilizzati dai fisici per descrivere le condizioni che controllano la transizione dell'acqua dal solido al liquido al gas.

"La cosa sorprendente e meravigliosa di un diagramma di fase è che riassume una grande quantità di informazioni in una forma molto semplice", afferma Jeff Gore, professore di fisica al MIT. "Possiamo tracciare un confine che preveda la perdita di stabilità e l'inizio di fluttuazioni di una popolazione."

Gore è l'autore senior dello studio, che appare oggi su Scienza . Jiliang Hu, uno studente laureato del MIT, è l'autore principale del documento. Altri autori includono Daniel Amor, un ex post-dottorato del MIT; Matthieu Barbier, ricercatore presso il Plant Health Institute dell'Università di Montpellier, Francia; e Guy Bunin, professore di fisica all'Israel Institute of Technology.

Dinamica della popolazione

Le dinamiche degli ecosistemi naturali sono difficili da studiare perché mentre gli scienziati possono fare osservazioni su come le specie interagiscono tra loro, di solito non possono fare esperimenti controllati in natura. Il laboratorio di Gore è specializzato nell'utilizzo di microbi come batteri e lieviti per analizzare le interazioni tra le specie in modo controllato, nella speranza di saperne di più sul comportamento degli ecosistemi naturali.

Negli ultimi anni, il suo laboratorio ha dimostrato come il comportamento competitivo e cooperativo influenzi le popolazioni e ha identificato i primi segnali di allarme del crollo della popolazione. Durante questo periodo, il suo laboratorio è gradualmente passato dallo studio di una o due specie alla volta a ecosistemi su scala più ampia.

Mentre lavoravano allo studio di comunità più grandi, Gore si interessò a provare a testare alcune delle previsioni che i fisici teorici hanno fatto riguardo alla dinamica di ecosistemi grandi e complessi. Una di queste previsioni era che gli ecosistemi si muovono attraverso fasi di stabilità variabile in base al numero di specie nella comunità e al grado di interazione tra le specie. In questo quadro, il tipo di interazione - predatoria, competitiva o cooperativa - non ha importanza. Conta solo la forza dell'interazione.

Per testare questa previsione, i ricercatori hanno creato comunità che vanno da due a 48 specie di batteri. Per ciascuna comunità, i ricercatori hanno controllato il numero di specie formando diverse comunità sintetiche con diversi insiemi di specie. Sono stati anche in grado di rafforzare le interazioni tra le specie aumentando la quantità di cibo disponibile, il che fa aumentare le popolazioni e può anche portare a cambiamenti ambientali come una maggiore acidificazione.

"Per vedere le transizioni di fase in laboratorio, è davvero necessario avere comunità sperimentali in cui puoi girare le manopole da solo ed effettuare misurazioni quantitative di ciò che sta accadendo", afferma Gore.

I risultati di queste manipolazioni sperimentali hanno confermato che le teorie avevano predetto correttamente cosa sarebbe successo. Inizialmente, ogni comunità esisteva in una fase chiamata "piena esistenza stabile", in cui tutte le specie coesistono senza interferire tra loro.

Con l'aumento del numero di specie o delle interazioni tra di loro, le comunità sono entrate in una seconda fase, nota come "coesistenza parziale stabile". In questa fase le popolazioni rimangono stabili, ma alcune specie si sono estinte. L'intera comunità è rimasta in uno stato stabile, il che significa che la popolazione torna a uno stato di equilibrio dopo l'estinzione di alcune specie.

Infine, con l'ulteriore aumento del numero di specie o della forza delle interazioni, le comunità sono entrate in una terza fase, caratterizzata da fluttuazioni più drammatiche della popolazione. Gli ecosistemi sono diventati instabili, il che significa che le popolazioni fluttuano costantemente nel tempo. Sebbene si siano verificate alcune estinzioni, questi ecosistemi tendevano ad avere una frazione complessiva più ampia di specie sopravvissute.

Previsione del comportamento

Utilizzando questi dati, i ricercatori sono stati in grado di tracciare un diagramma di fase che descrive come cambiano gli ecosistemi sulla base di due soli fattori:il numero di specie e la forza delle interazioni tra di loro. Questo è analogo a come i fisici sono in grado di descrivere i cambiamenti nel comportamento dell'acqua in base a due sole condizioni:temperatura e pressione. Non è necessaria una conoscenza dettagliata dell'esatta velocità e posizione di ogni molecola d'acqua.

"Anche se non possiamo accedere a tutti i meccanismi e parametri biologici in un ecosistema complesso, dimostriamo che la sua diversità e la sua dinamica possono essere fenomeni emergenti che possono essere previsti da poche proprietà aggregate della comunità ecologica:dimensione del pool di specie e statistiche delle interazioni tra specie, " dice Hu.

La creazione di questo tipo di diagramma di fase potrebbe aiutare gli ecologisti a fare previsioni su ciò che potrebbe accadere negli ecosistemi naturali come le foreste, anche con pochissime informazioni, perché tutto ciò che devono sapere è il numero di specie e quanto interagiscono.

"Possiamo fare previsioni o affermazioni su ciò che la community farà, anche in assenza di una conoscenza dettagliata di ciò che sta accadendo", afferma Gore. "Non sappiamo nemmeno quali specie stanno aiutando o danneggiando quali altre specie. Queste previsioni si basano esclusivamente sulla distribuzione statistica delle interazioni all'interno di questa complessa comunità".

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. + Esplora ulteriormente

Changes in marine ecosystems are going undetected

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.