La naturaleza es algo complejo. Hasta aquí, nada nuevo. Pero la ciencia y la tecnología han hecho posible empezar a entender el comportamiento de ciertos organismos en ciertos ecosistemas.

Es lo que han hecho recientemente sendos grupos de investigación en la Universidad de Illes Balears (UIB) y de varias universidades madrileñas, la Carlos III (UC3M), la Politécnica (UPM) y la Rey Juan Carlos.

En ambos casos se han servido de modelos matemáticos para analizar e intentar avanzarse a las posibles consecuencias de la interacción entre bancos de posidonia -en el caso balear- y entre poblaciones de microbios.

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Explican desde la UPM que "en los ecosistemas existen diversos tipos de interacciones ecológicas entre las especies: una de las más conocidas es la depredación (una especie se come a otra, simplificando), pero existen otras variedades, como la competición por recursos, el mutualismo, el comensalismo, el parasitismo, etc".

Los diferentes avances científicos realizados hasta la fecha han permitido conocer que no se trata de estados permanentes, "porque puede haber transiciones entre estas interacciones fruto de la evolución".

La UPM cita un ejemplo: "Una relación de depredación entre especies puede acabar convirtiéndose en una relación mutualista o simbiótica entre las mismas en el curso de la evolución".

El modelo matemático desarrollado por la universidad madrileña permite estudiar el tipo de transiciones en esas interacciones ecológicas.

"Una de las conclusiones que hemos encontrado es que hay una clara tendencia al mutualismo: las interacciones ecológicas pueden comenzar como sea, pero en la mayoría de casos terminan desembocando en una relación mutualista", señala uno de los investigadores, José Antonio Cuesta Ruiz, catedrático del departamento de Matemáticas de la UC3M, que ha publicado recientemente este trabajo en la revista científica 'Physical Review E' junto a investigadores de la UPM, la Universidad Rey Juan Carlos de Madrid y la Universidad del Pacífico en Lima.

En este artículo han mostrado también la alta frecuencia con la ocurren estas transiciones en la naturaleza, descubriendo trayectorias evolutivas que transcurren por diversos estados intermedios, según los investigadores.

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"A pesar de tratarse de un modelo simple, su comportamiento emergente es complejo: muestra transiciones entre distintas relaciones ecológicas, pudiendo pasar por distintas etapas de mutualismo, depredación y competición antes de alcanzar su estado final", añaden Javier Galeano y Juan Manuel Pastor, profesores de la UPM y coautores del trabajo.

Para su estudio, los investigadores han utilizado modelos clásicos de dinámica de poblaciones a los que han aplicado una técnica estándar en teoría evolutiva, denominada dinámica adaptativa.

Esta técnica permite encontrar ecuaciones dinámicas para los parámetros del modelo de poblaciones, que determinan la naturaleza de las interacciones ecológicas. Con ello se puede estudiar cómo van cambiando dichas interacciones con el tiempo.

"Este tipo de modelos, a pesar de que son modelos muy simples, son capaces de capturar elementos esenciales para proporcionar mecanismos de fenómenos emergentes. Son muy útiles a la hora de estudiar sistemas complejos", señala Cuesta.

Una dinámica similar es que la se ha seguido en Baleares. Allí, la UIB, en colaboración con el Instituto de Física Interdisciplinaria y Sistemas Complejos (IFISC) y el Instituto Mediterráneo de Estudios Avanzados (IMEDEA), ha publicado en la prestigiosa revista 'Proceedings of the National Academy of Sciences' un estudio basado también en un modelo matemático que ha descubierto que las franjas de vegetación que se forman en las praderas marinas como la Posidonia oceanica se mueven a una velocidad constante y pueden colisionar entre sí mismas en un proceso de aniquilación. 

Los autores, Daniel Ruiz-Reynés, Elvira Mayol, Tomás Sintes y Damià Gomila proponen un modelo que reproduce esta dinámica al tiempo que permite comprobar el estado de las praderas.

Simulaciones desde 1973

Las praderas de posidonia, explican desde la UIB, son una fuente importante de servicios ecosistémicos y actúan como sumideros de carbono en regiones costeras alrededor de todos. 

Sin embargo, se sabe que estas praderas submarinas están siendo amenazadas por culpa de múltiples presiones antropogénicas -acción humana-, lo que lleva a más mortalidad de los pastos marinos. 

Por lo general, cuando las tasas de reproducción y mortalidad están cerca del equilibrio, las dinámicas que gobiernan la evolución espacial-temporal de las praderas son las retroalimentaciones entre las plantas, que pueden generar patrones regulares como los observados en otros puntos, entre los que los autores del estudio citan los círculos de hadas en Namibia o los laberintos del desierto del Neguev.

En definitiva, concluyen que estudiar estos patrones y su evolución es clave para diagnosticar el estado de salud de las extensiones de vegetación .

Un equipo internacional de investigadores ha descubierto en Baleares que esta situación de alta mortalidad provoca en algunos casos la formación de franjas de posidonia de aproximadamente 1,5 metros de ancho que avanzan sin cambiar de forma a una velocidad de unos pocos centímetros al año, y que generan patrones espacial-temporales complejos en forma de anillos, espirales o arcos.

Siguen relatando los autores del estudio que estas estructuras surgen a causa de una alta mortalidad de las plantas causada por la absorción de sulfuro a través de las raíces. 

Los investigadores han desarrollado un modelo matemático que reproduce los paisajes marinos observados y predice la aniquilación de estas estructuras circulares cuando chocan entre sí. 

También demostraron que las imágenes de campo y los perfiles radiales de vegetación, así como la concentración de sulfuro en el sedimento, son consistentes con las predicciones del modelo teórico. 

Las simulaciones reproducen remarcablemente bien la evolución de los anillos desde 1973 hasta la actualidad, incluyendo la autodestrucción de dos franjas de vegetación al colisionar.

Los autores concluyen que, además de explicar los patrones y su dinámica, los resultados del estudio tienen un valor diagnóstico, y permiten identificar estas estructuras en forma de anillo como estados terminales de las praderas antes de su colección.

Nuevas tecnologías de monitorización basadas en inteligencia artificial pueden detectar automáticamente estas estructuras anulares en imágenes aéreas o de satélite y así alertar del riesgo de colapso de ecosistemas clave en zonas costeras.