diversidad
Un nuevo trabajo de modelado sugiere por qué la naturaleza es más diversa de lo que predice la teoría ecológica basada en nichos.

Un artículo de Veronique Greenwood. Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente respaldada por la Fundación Simons.

Hace más de cuatro décadas los ecólogos de campo se propusieron cuantificar la diversidad de árboles en una parcela boscosa en la isla de Barro Colorado en Panamá, una de las extensiones de bosque más intensamente estudiadas del planeta. Comenzaron a contar cada árbol con un tronco de más de un centímetro de diámetro. Identificaron las especies, midieron los troncos y calcularon la biomasa de cada individuo. Pusieron escaleras en los árboles, examinaron los árboles jóvenes y lo registraron todo en hojas de cálculo cada vez mayores.

Mientras observaban los datos que se acumulaban año tras año, comenzaron a notar algo extraño en ellos. Con más de 300 especies, la diversidad de árboles en la pequeña isla de 15 kilómetros cuadrados era asombrosa. Pero la distribución de los árboles entre esas especies también estaba muy desequilibrada, ya que la mayoría de los árboles pertenecían a unas pocas especies.

Desde esos primeros estudios, ese patrón sobrecargado y altamente desigual se ha visto repetidamente en los ecosistemas de todo el mundo, particularmente en las selvas tropicales. El ecólogo Stephen Hubbell de la Universidad de California, Los Ángeles, quien formó parte del equipo de las mediciones en Barro Colorado, estima que menos del 2% de las especies de árboles en el Amazonas representan la mitad de todos los árboles individuales, lo que significa que el 98 % de las especies son poco comunes.

Una biodiversidad tan alta va en contra de las predicciones hechas por una importante teoría de la ecología, que dice que en un ecosistema estable cada nicho o rol debe ser ocupado por una especie. La teoría de nichos sugiere que no hay suficientes nichos para permitir que todas las especies que los ecólogos observaron existan de manera estable. La competencia por los nichos entre especies similares debería haber llevado a las poco comunes a la extinción.

Un nuevo artículo sobre modelado ecológico en Nature de James O’Dwyer y Kenneth Jops de la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign explica al menos parte de esta discrepancia. Han descubierto que las especies que aparentemente deberían ser competidoras frente a frente pueden compartir un ecosistema si los detalles de sus historias de vida, como cuánto tiempo viven y cuántos descendientes tienen, se alinean de la manera correcta. Su trabajo también ayuda a explicar por qué una de las formas con más exito de modelar ecologías a menudo llega a resultados precisos, aunque pasa por alto casi todo lo que sabemos sobre cómo funcionan los organismos.

En 2001, la paradójicamente alta biodiversidad en la isla de Barro Colorado inspiró a Hubbell a proponer la revolucionaria teoría neutral de la ecología. La teoría de la ecología tradicional enfatizaba la competencia por los nichos entre las especies. Pero Hubbell señaló que las especies podrían no importar realmente en esa ecuación porque, en efecto, los individuos también compiten por los recursos con miembros de su propia especie. Sugirió que los patrones de diversidad en los ecosistemas podrían ser en gran parte productos de procesos aleatorios.

Para una teoría que se ocupaba de la biodiversidad, la teoría neutral de Hubbell era escasa. Ignoró las variaciones en las esperanzas de vida, las peculiaridades nutricionales y otros detalles que distinguen a una especie de otra. En los modelos basados en la teoría cada individuo en un ecosistema teórico es idéntico. Una vez que se empieza a contar el tiempo el ecosistema evoluciona estocásticamente, con individuos compitiendo y reemplazándose entre sí al azar. La teoría estaba completamente en desacuerdo con los enfoques de la ecología basados en especies, y provocó un apasionado debate entre los ecólogos porque parecía muy contraria a la intuición.

Sin embargo, sorprendentemente, a medida que avanzaban las caminatas aleatorias en los modelos neutrales, se reproducían características clave de lo que Hubbell y sus colegas habían visto en sus datos de la isla de Barro Colorado y lo que otros han visto en otros lugares. En este modelado que casi perversamente no reconoce diferencias, hay destellos del mundo real.

Esa tensión entre los modelos y la realidad ha interesado a O’Dwyer durante mucho tiempo. ¿Por qué la teoría neutral parecía funcionar tan bien? ¿Había alguna manera de incorporar información sobre cómo funcionan las especies para obtener resultados que pudieran parecer aún más realistas?

Una de las cosas que hace que los modelos neutrales sean atractivos, afirma O’Dwyer, es que realmente hay profundas universalidades entre muchos seres vivos. Si bien las especies animales no son idénticas, son notablemente similares a nivel de, digamos, el sistema circulatorio. Los mismos números relacionados con la fisiología surgen una y otra vez en animales y plantas, reflejando quizás las limitaciones de su historia evolutiva compartida. De acuerdo con un principio llamado ley de Kleiber, por ejemplo, la tasa metabólica de un animal generalmente aumenta con su tamaño, escalando como una ley de potencias, la misma ley de potencias, sin importar la especie. (Se han ofrecido varias teorías sobre por qué la ley de Kleiber es verdadera, pero la respuesta aún se debate).

Dados esos signos del orden subyacente, O’Dwyer se preguntó si algunos detalles de cómo viven los organismos importan más que otros para determinar el éxito con el que las especies competirán y sobrevivirán durante el tiempo evolutivo. Tomemos nuevamente el metabolismo: si un ecosistema puede verse como una expresión de los metabolismos de sus habitantes, entonces los tamaños de los organismos son números especiales y significativos. El tamaño de un individuo puede ser más útil para modelar su destino a lo largo del tiempo que cualquier otro detalle sobre su dieta o identidad de especie.

O’Dwyer se preguntó si uno de esos factores cruciales y privilegiados podría ser capturado por la historia de vida, un concepto que combina estadísticas de especies como el número promedio de descendientes, el tiempo hasta la madurez sexual y la esperanza de vida. Imagina una parcela de 50 plantas individuales. Cada una tiene su propia esperanza de vida, su propio patrón de reproducción. Después de tres meses, una planta puede producir 100 semillas, mientras que otra similar produce 88. Tal vez el 80% de sus semillas germine, produciendo la próxima generación, que pasará por su propia versión de este ciclo. Incluso dentro de una especie, el número de plantas individuales variará, a veces un poco, a veces mucho, un fenómeno llamado ruido demográfico. Si esta variación es aleatoria, a la manera de la teoría neutral de Hubbell, ¿qué patrones surgirán en las generaciones sucesivas?

O’Dwyer sabía que había encontrado a alguien que podía ayudarlo a explorar esa pregunta cuando Jops se unió a su laboratorio como estudiante de posgrado. Jops había estudiado previamente si los modelos que usaban historias de vida podían predecir si una especie de planta vulnerable sobreviviría o si estaba a punto de desaparecer. Juntos, comenzaron a elaborar las matemáticas que describirían lo que sucede cuando la historia de vida se encuentra con la competencia.

En el modelo de Jops y O’Dwyer, como en los modelos neutrales, la estocasticidad, la influencia de los factores aleatorios en las interacciones deterministas entre las especies, es importante. Las historias de vida de las especies, sin embargo, pueden amplificar o reducir los efectos de esa aleatoriedad. “La historia de vida es una especie de lente a través de la cual funciona el ruido demográfico”, explica O’Dwyer.

Cuando los investigadores permitieron que su modelo progresara a lo largo del tiempo, poniendo a prueba a cada individuo simulado, descubrieron que ciertas especies podían persistir una junto a la otra durante largos períodos a pesar de que competían por los mismos recursos. Al profundizar en los números en busca de una explicación, Jops y O’Dwyer encontraron que un término complejo llamado tamaño efectivo de la población parecía útil para describir un tipo de complementariedad que podría existir entre las especies. Encapsulaba el hecho de que una especie podría tener una mortalidad alta en un punto de su ciclo de vida, luego una mortalidad baja en otro, mientras que una especie complementaria podría tener una mortalidad baja en el primer punto y una mortalidad alta en el segundo. Cuanto más similar era este término para dos especies, más probable era que una pareja pudiera vivir una junto a la otra a pesar de competir por el espacio y la nutrición.

“Experimentan el ruido demográfico con la misma amplitud”, explica O’Dwyer. “Esa es la clave para que vivan juntos mucho tiempo”.

Los investigadores se preguntaron si prevalecían patrones similares en el mundo real. Se basaron en la base de datos COMPADRE, que alberga detalles sobre miles de especies de plantas, hongos y bacterias tomados de una variedad de estudios y fuentes, y se concentraron en plantas perennes que vivían juntas en las mismas parcelas de investigación. Descubrieron que, como había predicho su modelo, las especies de plantas que vivían juntas tenían historias de vida muy parecidas: los pares de especies que viven en el mismo ecosistema tienden a ser más complementarios que los pares creados al azar.

Los hallazgos sugieren maneras en que las especies que no están necesariamente en competencia directa podrían funcionar bien juntas sin recurrir a nichos distintos, afirma Annette Ostling, profesora de biología en la Universidad de Texas, Austin. “Lo mejor es que señalan que estas ideas… pueden extenderse a especies que son bastante diferentes pero complementarias”, comenta.

Para William Kunin, profesor de ecología en la Universidad de Leeds en Inglaterra, el artículo sugiere una razón por la cual el mundo natural, a pesar de toda su complejidad, puede parecerse a un modelo neutral: los procesos ecológicos pueden tener una forma de anularse entre sí, por lo que que lo que parece una variedad infinita puede tener un resultado simple que describe como «neutralidad emergente». Hubbell, por su parte, agradece la ampliación de su obra inicial. “Ofrece algunas ideas sobre cómo generalizar modelos neutrales, modificarlos para incluir un poco de diferencias específicas, expandirse y contraerse para ver qué sucede con la diversidad en una comunidad local”, dijo.

Sin embargo, este es solo una parte del problema de comprender cómo surge la biodiversidad y por qué persiste. “En ecología, luchamos con la relación entre patrón y proceso. Muchos procesos diferentes pueden producir el mismo patrón”, explicao Ostling. O’Dwyer espera que, en los próximos años, más datos sobre el mundo real puedan ayudar a los investigadores a discernir si el tamaño efectivo de la población es capaz de explicar la coexistencia de manera consistente.

Kunin espera que el artículo inspire a otros a seguir trabajando con ideas de la teoría neutral. En un campo donde las cualidades únicas de los individuos, en lugar de sus puntos en común, han prevalecido durante mucho tiempo, la teoría neutral ha obligado a los ecólogos a ser creativos. “Nos sacó de nuestras rutinas mentales y nos hizo pensar en qué cosas realmente importan”, afirma.

Hubbell, quien planteó la teoría neutral sobre la ecología hace tantos años, se pregunta si conjuntos de datos verdaderamente inmensos sobre bosques reales podrían producir el tipo de detalle necesario para aclarar la relación entre la historia de la vida y la biodiversidad. “Este es el tipo de construcción sobre la teoría neutral que esperaba que sucediera”, comenta sobre el nuevo artículo. “Pero es solo un pequeño paso hacia la comprensión real de la diversidad”.

El artículo original, The Key to Species Diversity May Be in Their Similarities, se publicó el 26 de junio de 2023 en Quanta Magazine.

Traducido por César Tomé López