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Modelo de ecosistema

Diagrama estructural del modelo de ecosistema de plancton de océano abierto de Fasham , Ducklow y McKelvie (1990). [ 1 ] Un modelo de ecosistema es una representación abstracta ...

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Diagrama estructural del modelo de ecosistema de plancton de océano abierto de Fasham , Ducklow y McKelvie (1990). [ 1 ]

Un modelo de ecosistema es una representación abstracta , generalmente matemática , de un sistema ecológico (que abarca desde una población individual hasta una comunidad ecológica , o incluso un bioma completo ), que se estudia para comprender mejor el sistema real. [ 2 ]

Utilizando datos recopilados en el campo, se derivan relaciones ecológicas —como la relación entre la luz solar y la disponibilidad de agua con la tasa fotosintética , o la que existe entre las poblaciones de depredadores y presas— , y estas se combinan para formar modelos de ecosistemas . Estos sistemas modelo se estudian posteriormente para realizar predicciones sobre la dinámica del sistema real. A menudo, el estudio de las imprecisiones del modelo (en comparación con las observaciones empíricas) conduce a la generación de hipótesis sobre posibles relaciones ecológicas aún desconocidas o poco comprendidas. Los modelos permiten a los investigadores simular experimentos a gran escala que serían demasiado costosos o poco éticos para realizar en un ecosistema real. También permiten simular procesos ecológicos durante periodos de tiempo muy largos (es decir, simular un proceso que en realidad lleva siglos puede hacerse en cuestión de minutos en un modelo informático). [ 3 ]

Los modelos de ecosistemas tienen aplicaciones en una amplia variedad de disciplinas, como la gestión de recursos naturales , [ 4 ] la ecotoxicología y la salud ambiental , [ 5 ] [ 6 ] la agricultura , [ 7 ] y la conservación de la vida silvestre . [ 8 ] El modelado ecológico incluso se ha aplicado a la arqueología con diversos grados de éxito, por ejemplo, combinándolo con modelos arqueológicos para explicar la diversidad y movilidad de las herramientas de piedra. [ 9 ]

Tipos de modelos

Existen dos tipos principales de modelos ecológicos, que generalmente se aplican a diferentes tipos de problemas: (1) modelos analíticos y (2) modelos de simulación / computacionales . Los modelos analíticos suelen ser sistemas relativamente simples (a menudo lineales) que pueden describirse con precisión mediante un conjunto de ecuaciones matemáticas cuyo comportamiento es bien conocido. Los modelos de simulación, por otro lado, utilizan técnicas numéricas para resolver problemas para los que las soluciones analíticas son imprácticas o imposibles. Los modelos de simulación tienden a ser más utilizados y generalmente se consideran más realistas desde el punto de vista ecológico, mientras que los modelos analíticos se valoran por su elegancia matemática y su poder explicativo. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] Ecopath es un potente sistema de software que utiliza métodos de simulación y computacionales para modelar ecosistemas marinos . Es ampliamente utilizado por científicos marinos y pesqueros como herramienta para modelar y visualizar las complejas relaciones que existen en los ecosistemas marinos del mundo real. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]

Diseño del modelo

Diagrama del modelo de Silver Springs (Odum, 1971). Nótese la agrupación en grupos funcionales como "herbívoros" o "descomponedores". [ 20 ]

El proceso de diseño del modelo comienza con la especificación del problema a resolver y los objetivos del modelo. [ 21 ]

Los sistemas ecológicos están compuestos por una enorme cantidad de factores bióticos y abióticos que interactúan entre sí de maneras a menudo impredecibles o tan complejas que resulta imposible incorporarlas a un modelo computable. Debido a esta complejidad , los modelos de ecosistemas suelen simplificar los sistemas que estudian a un número limitado de componentes bien comprendidos y considerados relevantes para el problema que el modelo pretende resolver. [ 22 ] [ 23 ]

El proceso de simplificación generalmente reduce un ecosistema a un pequeño número de variables de estado y funciones matemáticas que describen la naturaleza de las relaciones entre ellas. [ 24 ] El número de componentes del ecosistema que se incorporan al modelo está limitado por la agregación de procesos y entidades similares en grupos funcionales que se tratan como una unidad. [ 25 ] [ 26 ]

Después de establecer los componentes a modelar y las relaciones entre ellos, otro factor importante en la estructura del modelo de ecosistema es la representación del espacio utilizado. Históricamente, los modelos a menudo han ignorado el problema del espacio. Sin embargo, para muchos problemas ecológicos, la dinámica espacial es una parte importante del problema, ya que diferentes entornos espaciales conducen a resultados muy diferentes. Los modelos espacialmente explícitos (también llamados modelos "espacialmente distribuidos" o "de paisaje") intentan incorporar un entorno espacial heterogéneo en el modelo. [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] Un modelo espacial es aquel que tiene una o más variables de estado que son función del espacio, o que pueden estar relacionadas con otras variables espaciales. [ 30 ]

Validación

Tras su construcción, los modelos se validan para asegurar que los resultados sean suficientemente precisos o realistas. Un método consiste en probar el modelo con múltiples conjuntos de datos independientes del sistema real que se está estudiando. Esto es importante, ya que ciertas entradas pueden provocar que un modelo defectuoso arroje resultados correctos. Otro método de validación consiste en comparar la salida del modelo con los datos recopilados a partir de observaciones de campo. Los investigadores suelen especificar de antemano el grado de discrepancia que están dispuestos a aceptar entre los parámetros generados por el modelo y los calculados a partir de los datos de campo. [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]

Ejemplos

Las ecuaciones de Lotka-Volterra

Una serie temporal de ejemplo del modelo de Lotka-Volterra . Nótese que las dos poblaciones presentan un comportamiento cíclico y que el ciclo del depredador se retrasa con respecto al de la presa.

Uno de los primeros [ 36 ] y más conocidos modelos ecológicos es el modelo depredador-presa de Alfred J. Lotka (1925) [ 37 ] y Vito Volterra (1926). [ 38 ] Este modelo toma la forma de un par de ecuaciones diferenciales ordinarias , una que representa una especie presa y la otra su depredador.

dincógnitadt=α.incógnita−β.incógnita.Y{\displaystyle {\frac {dX}{dt}}=\alpha .X-\beta .XY}
dYdt=γ.β.incógnita.Y−δ.Y{\displaystyle {\frac {dY}{dt}}=\gamma .\beta .XY-\delta .Y}

dónde,

Volterra ideó originalmente el modelo para explicar las fluctuaciones en las poblaciones de peces y tiburones observadas en el mar Adriático después de la Primera Guerra Mundial (cuando se redujo la pesca ). Sin embargo, las ecuaciones se han aplicado posteriormente de forma más general. [ 39 ] Aunque simples, ilustran algunas de las características más destacadas de los modelos ecológicos: las poblaciones biológicas modeladas experimentan crecimiento , interactúan con otras poblaciones (ya sean depredadores, presas o competidores ) y sufren mortalidad .

Una alternativa creíble y sencilla al modelo depredador-presa de Lotka-Volterra y sus generalizaciones comunes dependientes de la presa es el modelo dependiente de la proporción o de Arditi-Ginzburg . [ 40 ] Ambos representan los extremos del espectro de modelos de interferencia depredadora. Según los autores de la visión alternativa, los datos muestran que las interacciones reales en la naturaleza están tan alejadas del extremo de Lotka-Volterra en el espectro de interferencia que el modelo puede descartarse por ser erróneo. Están mucho más cerca del extremo dependiente de la proporción, por lo que, si se necesita un modelo sencillo, se puede utilizar el modelo de Arditi-Ginzburg como primera aproximación. [ 41 ]

Otros

El ecólogo teórico Robert Ulanowicz ha utilizado herramientas de la teoría de la información para describir la estructura de los ecosistemas, haciendo hincapié en la información mutua (correlaciones) en los sistemas estudiados. Basándose en esta metodología y en observaciones previas de ecosistemas complejos, Ulanowicz describe enfoques para determinar los niveles de estrés en los ecosistemas y predecir las reacciones del sistema a tipos definidos de alteración en sus entornos (como el aumento o la reducción del flujo de energía y la eutrofización ). [ 42 ]

El Juego de la Vida de Conway y sus variaciones modelan ecosistemas donde la proximidad de los miembros de una población son factores que influyen en el crecimiento de la población.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Fasham, MJR; Ducklow, HW; McKelvie, SM (1990). "Un modelo basado en nitrógeno de la dinámica del plancton en la capa mixta oceánica". Journal of Marine Research . 48 (3): 591– 639. doi : 10.1357/002224090784984678 (inactivo el 1 de julio de 2025).{{cite journal}}: CS1 maint: DOI inactivo desde julio de 2025 ( enlace )
  2. ↑ Hall, Charles AS y Day, John W. (1990). Modelado de ecosistemas en teoría y práctica: una introducción con estudios de caso . University Press of Colorado. págs. 7–8 . ISBN  978-0-87081-216-3.
  3. ↑ Hall & Day, 1990: págs. 13-14
  4. ↑ Dale, Virginia H. (2003). "Oportunidades para el uso de modelos ecológicos en la gestión de recursos". Modelado ecológico para la gestión de recursos . págs. 3–19 . doi : 10.1007/0-387-21563-8_1 . ISBN  978-0-387-95493-6.
  5. ↑ Pastorok, Robert A. (2002). «Introducción» . Modelado ecológico en la evaluación de riesgos: efectos químicos en poblaciones , ecosistemas y paisajes . CRC Press. pág. 7. ISBN  978-1-56670-574-5.
  6. ↑ Forbes, Valery E. (2009). «El papel del modelado ecológico en las evaluaciones de riesgo desde la perspectiva académica» . En Thorbek, Pernille (ed.). Modelos ecológicos para evaluaciones regulatorias de riesgo de plaguicidas: desarrollo de una estrategia para el futuro . CRC Press. pág. 89. ISBN  978-1-4398-0511-4.
  7. ↑ Palladino, Paolo (1996). «Modelado ecológico y manejo integrado de plagas» . Entomología, ecología y agricultura: la formación de carreras científicas en Norteamérica, 1885-1985 . Psychology Press. pág. 153. ISBN  978-3-7186-5907-4.
  8. ↑ Millspaugh, Joshua J.; et al. (2008). «Principios generales para el desarrollo de modelos paisajísticos para la conservación de la vida silvestre» . Modelos para la planificación de la conservación de la vida silvestre en grandes paisajes . Academic Press. pág. 1. ISBN   978-0-12-373631-4.
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  10. ↑ Jørgensen, Sven Erik (1996). Manual de modelado ambiental y ecológico . CRC Press. págs. 403–404 . ISBN  978-1-56670-202-7.
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  15. ↑ Christensen V (2009) "El futuro de Ecopath"En: Palomares, MLD, Morissette L, Cisneros-Montemayor A, Varkey D, Coll M, Piroddi C (Eds), Actas de la Conferencia Ecopath 25 Years: Resúmenes Extendidos , Informes de Investigación del Centro de Pesca 17 (3): 159–160. Universidad de Columbia Británica.
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  37. ↑ Lotka, AJ (1925). Los elementos de la biología física . Williams & Williams Co., Baltimore, EE. UU.
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Lecturas adicionales

  • Khan, MF; Preetha, P.; Sharma, AP (2015). "Modelado de la red trófica para la evaluación del impacto de la suplementación de poblaciones en un ecosistema de embalse en la India". Gestión Pesquera y Ecología . 22 (5): 359– 370. Bibcode : 2015FisME..22..359K . doi : 10.1111/fme.12134 .
  • Panikkar, Preetha; Khan, M. Feroz; Desai, VR; Shrivastava, NP; Sharma, AP (2014). "Caracterización de las interacciones tróficas de un ecosistema de embalse tropical dominado por bagres para evaluar los efectos de las prácticas de gestión". Environmental Biology of Fishes . 98 : 237–247 . doi : 10.1007/s10641-014-0255-6 . S2CID 16992082 . 
  • Panikkar, Preetha; Khan, M. Feroz (2008). "Modelos tróficos comparativos de balance de masas para evaluar el impacto de las medidas de gestión ambiental en un ecosistema de embalse tropical". Ecological Modelling . 212 ( 3–4 ): 280–291 . Bibcode : 2008EcMod.212..280P . doi : 10.1016/j.ecolmodel.2007.10.029 .
  • Feroz Khan, M.; Panikkar, Preetha (2009). "Evaluación de los impactos de los peces invasores en la estructura de la red trófica y las propiedades del ecosistema de un embalse tropical en la India". Ecological Modelling . 220 (18): 2281– 2290. Bibcode : 2009EcMod.220.2281F . doi : 10.1016/j.ecolmodel.2009.05.020 .
  • Recursos de modelización ecológica (ecobas.org)
  • Modelos de evaluación de la exposición de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos
  • Ecotoxicología y modelos (ecotoxmodels.org)