Cambio de régimen

Los cambios de régimen son cambios grandes, abruptos y persistentes en la estructura y función de los ecosistemas , el clima , los sistemas financieros u otros sistemas complejos . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} Un régimen es un comportamiento característico de un sistema que se mantiene mediante procesos o retroalimentaciones reforzados mutuamente . Los regímenes se consideran persistentes en relación con el período de tiempo durante el cual ocurre el cambio. El cambio de régimen, o el cambio, generalmente ocurre cuando un cambio suave en un proceso interno ( retroalimentación ) o una sola perturbación (choques externos) desencadena un comportamiento del sistema completamente diferente. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} Aunque tales cambios no lineales se han estudiado ampliamente en diferentes disciplinas que van desde los átomos hasta la dinámica climática, ^{[ 9 ]} los cambios de régimen han ganado importancia en ecología porque pueden afectar sustancialmente el flujo de servicios ecosistémicos de los que dependen las sociedades, ^{[ 4 ] [ 10 ]} tales como el suministro de alimentos, agua limpia o regulación del clima. Además, se espera que la ocurrencia de cambios de régimen aumente a medida que aumenta la influencia humana en el planeta —el Antropoceno ^{[ 11 ]}  — incluyendo las tendencias actuales sobre el cambio climático inducido por el ser humano y la pérdida de biodiversidad . ^{[ 12 ]} Cuando los cambios de régimen están asociados con un punto crítico o de bifurcación , también pueden denominarse transiciones críticas . ^{[ 3 ]}

Los investigadores se han interesado desde hace mucho tiempo en los sistemas que presentan cambios no lineales. Desde principios del siglo XX, los matemáticos han desarrollado un conjunto de conceptos y teorías para el estudio de estos fenómenos, basados ​​en el estudio de la dinámica de sistemas no lineales. Esta investigación condujo al desarrollo de conceptos como la teoría de catástrofes , una rama de la teoría de bifurcaciones en sistemas dinámicos.

En ecología, la idea de sistemas con múltiples regímenes, dominios de atracción llamados estados estables alternativos , surgió a finales de los años 60 basándose en las primeras reflexiones sobre el significado de la estabilidad en los ecosistemas por Richard Lewontin ^{[ 1 ]} y Crawford "Buzz" Holling . ^{[ 2 ]} El primer trabajo sobre cambios de régimen en los ecosistemas se realizó en una diversidad de ecosistemas e incluyó trabajos importantes de Noy-Meir (1975) en sistemas de pastoreo ; ^{[ 13 ]} May (1977) en sistemas de pastoreo, sistemas de cosecha , plagas de insectos y sistemas huésped- parasitoide ; ^{[ 14 ]} Jones y Walters (1976) con sistemas pesqueros ; ^{[ 15 ]} y Ludwig et al. (1978) con brotes de insectos . ^{[ 16 ]}

Estos primeros esfuerzos por comprender los cambios de régimen fueron criticados por la dificultad de demostrar la biestabilidad, su dependencia de modelos de simulación y la falta de datos a largo plazo de alta calidad. ^{[ 17 ]} Sin embargo, en la década de 1990 se recopiló evidencia más sustancial de cambios de régimen para bosques de algas , arrecifes de coral , tierras áridas y lagos poco profundos. Este trabajo condujo a la revitalización de la investigación sobre la reorganización ecológica y la clarificación conceptual que resultó en el marco conceptual del cambio de régimen a principios de la década de 2000. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

Fuera del ámbito de la ecología, se han desarrollado conceptos similares de cambio no lineal en otras disciplinas académicas. Un ejemplo es el institucionalismo histórico en la ciencia política , la sociología y la economía , donde conceptos como la dependencia de la trayectoria y las coyunturas críticas se utilizan para explicar fenómenos en los que el resultado de un sistema está determinado por su historia o las condiciones iniciales, y donde sus dominios de atracción se refuerzan mediante retroalimentaciones. Conceptos como regímenes institucionales internacionales , transiciones sociotécnicas y rendimientos crecientes tienen una base epistemológica similar a la de los cambios de régimen y utilizan modelos matemáticos similares.

En las últimas décadas, la investigación sobre el cambio de régimen ha crecido exponencialmente. Los artículos académicos indexados en ISI Web of Knowledge aumentaron de menos de 5 por año antes de 1990 a más de 300 por año entre 2007 y 2011. Sin embargo, la aplicación de los conceptos relacionados con el cambio de régimen aún genera controversia.

Aunque no existe consenso sobre una definición única, las ligeras diferencias radican en el significado de estabilidad  —la medida de lo que constituye un régimen— y en el de brusquedad. Ambos dependen de la definición del sistema en estudio, por lo que son relativos. En última instancia, se trata de una cuestión de escala. Las extinciones masivas son cambios de régimen en la escala geológica , mientras que las crisis financieras o los brotes de plagas son cambios de régimen que requieren un conjunto de parámetros totalmente diferente.

Para aplicar el concepto a un problema particular, es necesario limitar conceptualmente su rango de dinámica fijando categorías analíticas tales como escalas de tiempo y espacio, rango de variaciones y procesos exógenos / endógenos . Por ejemplo, mientras que para los oceanógrafos un régimen debe durar al menos décadas y debe incluir la variabilidad climática como factor determinante, ^{[ 17 ]} para los biólogos marinos son aceptables regímenes de solo cinco años y podrían ser inducidos únicamente por la dinámica poblacional . ^{[ 18 ]} En la Tabla 1 se recoge una gama no exhaustiva de definiciones actuales de cambios de régimen en la literatura científica reciente de ecología y campos afines.

Tabla 1. Definiciones de cambios de régimen y modificaciones utilizadas para aplicar el concepto a preguntas de investigación específicas a partir de la literatura científica publicada entre 2004 y 2009.

La base teórica de los cambios de régimen se ha desarrollado a partir de las matemáticas de los sistemas no lineales. En resumen, los cambios de régimen describen dinámicas caracterizadas por la posibilidad de que una pequeña perturbación produzca grandes efectos. En tales situaciones, la noción común de proporcionalidad entre las entradas y salidas de un sistema es incorrecta. Por otro lado, el concepto de cambio de régimen también enfatiza la resiliencia de los sistemas, sugiriendo que, en algunas situaciones, una gestión sustancial o un impacto humano pueden tener poco efecto sobre un sistema. Los cambios de régimen son difíciles de revertir y, en algunos casos, irreversibles. El concepto de cambio de régimen desplaza la atención analítica de la linealidad y la previsibilidad hacia la reorganización y la sorpresa. Así, el concepto de cambio de régimen ofrece un marco para explorar la dinámica y las explicaciones causales del cambio no lineal en la naturaleza y la sociedad.

Los cambios de régimen se desencadenan bien por el debilitamiento de los procesos internos estabilizadores ( retroalimentación  ) o bien por perturbaciones externas que superan la capacidad estabilizadora de un sistema.

Los sistemas propensos a cambios de régimen pueden mostrar tres tipos diferentes de cambio: suave, abrupto o discontinuo, ^{[ 6 ]} dependiendo de la configuración de los procesos que definen un sistema, en particular la interacción entre los procesos rápidos y lentos de un sistema. El cambio suave puede describirse mediante una relación cuasi lineal entre los procesos rápidos y lentos; el cambio abrupto muestra una relación no lineal entre las variables rápidas y lentas, mientras que el cambio discontinuo se caracteriza por la diferencia en la trayectoria de la variable rápida cuando la lenta aumenta en comparación con cuando disminuye. ^{[ 17 ]} En otras palabras, el punto en el que el sistema cambia de un régimen a otro es diferente del punto en el que el sistema vuelve al régimen anterior. Los sistemas que exhiben este último tipo de cambio demuestran histéresis . Los sistemas histeréticos tienen dos propiedades importantes. Primero, la reversión del cambio discontinuo requiere que un sistema vuelva a las condiciones en las que ocurrió el cambio por primera vez. ^{[ 5 ]} Esto ocurre porque el cambio sistémico altera los procesos de retroalimentación que mantienen un sistema en un régimen particular. ^{[ 22 ]} En segundo lugar, la histéresis realza enormemente el papel de la historia en un sistema y demuestra que el sistema tiene memoria, en el sentido de que su dinámica está moldeada por eventos pasados.

Las condiciones en las que un sistema cambia su dinámica de un conjunto de procesos a otro se denominan umbrales. En ecología, por ejemplo, un umbral es un punto en el que se produce un cambio abrupto en la calidad, propiedad o fenómeno de un ecosistema; o donde pequeños cambios en un factor ambiental generan grandes respuestas en un ecosistema. ^{[ 23 ]} Sin embargo, los umbrales son función de varios parámetros que interactúan entre sí, por lo que varían en el tiempo y el espacio. Por lo tanto, un mismo sistema puede presentar cambios suaves, abruptos o discontinuos según la configuración de sus parámetros. No obstante, los umbrales solo estarán presentes en los casos en que sea posible un cambio abrupto y discontinuo.

La evidencia empírica ha complementado cada vez más los estudios basados ​​en modelos sobre cambios de régimen. Los primeros trabajos sobre cambios de régimen en ecología se desarrollaron mediante modelos de depredación, pastoreo, pesca y dinámica de brotes de insectos. Desde la década de 1980, el desarrollo de modelos se ha complementado con evidencia empírica sobre cambios de régimen en ecosistemas como bosques de algas , arrecifes de coral , zonas áridas y lagos .

Los investigadores han recopilado evidencia de cambios de régimen en una amplia variedad de ecosistemas y en un rango de escalas. Por ejemplo, a escala local, uno de los ejemplos mejor documentados es la invasión de plantas leñosas , que se cree que sigue una dinámica de cambio suave. ^{[ 7 ]} La invasión leñosa se refiere a pequeños cambios en las tasas de herbivoría que pueden cambiar tierras secas de regímenes dominados por pastos hacia sabanas dominadas por plantas leñosas. Se ha documentado que la invasión impacta los servicios ecosistémicos relacionados con la ganadería en sabanas húmedas en África y América del Sur. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} A escala regional, se cree que las áreas de selva tropical en el Amazonas y Asia Oriental están en riesgo de cambiar hacia regímenes de sabana dado el debilitamiento de la retroalimentación del reciclaje de humedad impulsado por la deforestación . ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]} El cambio de bosque a sabana afecta potencialmente el suministro de alimentos, agua dulce, regulación climática y el apoyo a la biodiversidad. A nivel global, el retroceso más rápido de la capa de hielo ártica en verano está reforzando el calentamiento climático a través de la retroalimentación del albedo, lo que podría afectar los niveles de agua del mar y la regulación climática en todo el mundo.

Los sistemas acuáticos han sido ampliamente estudiados en la búsqueda de cambios de régimen. Los lagos funcionan como microcosmos ( sistemas casi cerrados ) que, hasta cierto punto, permiten la experimentación y la recopilación de datos. ^{[ 2 ] [ 33 ] [ 34 ]} La eutrofización es un cambio abrupto bien documentado de regímenes de agua clara a agua turbia, que conduce a floraciones de algas tóxicas y reducción de la productividad de los peces en lagos y ecosistemas costeros. ^{[ 33 ] [ 35 ] [ 36 ]} La eutrofización es impulsada por los aportes de nutrientes, particularmente aquellos provenientes de fertilizantes utilizados en la agricultura. Es un ejemplo de cambio discontinuo con histéresis. Una vez que el lago ha cambiado a un régimen de agua turbia, una nueva retroalimentación de reciclaje de fósforo mantiene el sistema en el estado eutrófico incluso si los aportes de nutrientes se reducen significativamente.

Otro ejemplo ampliamente estudiado en sistemas acuáticos y marinos es la disminución del nivel trófico en las redes alimentarias . Generalmente implica el cambio de ecosistemas dominados por un gran número de peces depredadores a un régimen dominado por grupos tróficos inferiores como los planctívoros pelágicos (es decir, medusas). ^{[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]} Las redes alimentarias afectadas a menudo tienen impactos en la productividad pesquera, un riesgo importante de eutrofización , hipoxia , invasión de especies no nativas e impactos en los valores recreativos. La hipoxia, o el desarrollo de las llamadas zonas de muerte, es otro cambio de régimen en ambientes acuáticos y costeros marinos. La hipoxia, de manera similar a la eutrofización, es impulsada por aportes de nutrientes de origen antropogénico, pero también de origen natural en forma de afloramientos . En altas concentraciones de nutrientes, los niveles de oxígeno disuelto disminuyen, lo que hace imposible la vida para la mayoría de los organismos acuáticos. ^{[ 42 ]} Los impactos en los servicios ecosistémicos incluyen el colapso de las pesquerías y la producción de gases tóxicos para los humanos.

En los sistemas marinos, se producen dos cambios de régimen bien estudiados en los arrecifes de coral y los bosques de algas. Los arrecifes de coral son estructuras tridimensionales que funcionan como hábitat para la biodiversidad marina. Los arrecifes dominados por corales duros pueden cambiar a un régimen dominado por algas carnosas; ^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]} pero también se ha informado que cambian hacia regímenes dominados por corales blandos, coralimorfos, zonas desérticas de erizos de mar o esponjas. ^{[ 18 ] [ 48 ]} Se ha informado que las transiciones de los arrecifes de coral afectan a servicios ecosistémicos como la fijación de calcio, la limpieza del agua, el apoyo a la biodiversidad, la productividad pesquera, la protección de la línea costera y los servicios recreativos. ^{[ 49 ] [ 50 ]} Por otro lado, los bosques de algas son ecosistemas marinos altamente productivos que se encuentran en las regiones templadas del océano. Los bosques de algas están característicamente dominados por macroalgas pardas y albergan altos niveles de biodiversidad, proporcionando servicios ecosistémicos de aprovisionamiento tanto para la industria cosmética como para la pesca. Estos servicios se reducen sustancialmente cuando un bosque de algas marinas se transforma en un entorno estéril de erizos de mar, impulsado principalmente por la descarga de nutrientes desde la costa y la sobrepesca. La sobrepesca y la sobreexplotación de depredadores clave, como las nutrias marinas , ejercen presión descendente sobre el sistema. La presión ascendente surge de la contaminación por nutrientes . ^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ]}

La salinización del suelo es un ejemplo de un cambio de régimen bien conocido en los sistemas terrestres. Es impulsada por la eliminación de la vegetación de raíces profundas y el riego, lo que provoca la elevación del nivel freático del suelo y el aumento de la salinidad de la superficie del suelo. Una vez que el sistema se invierte, los servicios ecosistémicos relacionados con la producción de alimentos —tanto cultivos como ganado— se reducen significativamente. ^{[ 57 ]} La degradación de las tierras áridas , también conocida como desertificación , es un tipo de cambio de régimen bien conocido pero controvertido. La degradación de las tierras áridas ocurre cuando la pérdida de vegetación transforma un ecosistema de vegetado a dominado por suelos desnudos. Si bien se ha propuesto que este cambio es impulsado por una combinación de agricultura y pastoreo de ganado, pérdida de tradiciones seminómadas, extensión de infraestructura, reducción de la flexibilidad de gestión y otros factores económicos, es controvertido porque ha sido difícil determinar si realmente existe un cambio de régimen y cuáles son los impulsores que lo han causado. Por ejemplo, se ha propuesto la pobreza como un impulsor de la degradación de las tierras áridas, pero los estudios continuamente encuentran evidencia contradictoria. ^{[ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]} Los servicios ecosistémicos afectados por la degradación de tierras secas generalmente incluyen una baja productividad de biomasa, lo que reduce los servicios de provisión y apoyo para la agricultura y el ciclo del agua.

Las regiones polares han sido el foco de la investigación que examina los impactos del calentamiento climático. Los cambios de régimen en las regiones polares incluyen el derretimiento de la capa de hielo de Groenlandia y el posible colapso del sistema de circulación termohalina . Si bien el derretimiento de la capa de hielo de Groenlandia es impulsado por el calentamiento global y amenaza las costas de todo el mundo con un aumento del nivel del mar, el colapso de la circulación termohalina es impulsado por el aumento de agua dulce en el Atlántico Norte, lo que a su vez debilita el transporte de agua impulsado por la densidad entre los trópicos y las áreas polares. ^{[ 62 ] [ 63 ]} Ambos cambios de régimen tienen graves implicaciones para la biodiversidad marina, el ciclo del agua, la seguridad de la vivienda y la infraestructura y la regulación del clima, entre otros servicios ecosistémicos.

Utilizando métodos estadísticos actuales bien conocidos, como las desviaciones estándar promedio , el análisis de componentes principales o las redes neuronales artificiales ^{[ 64 ] [ 20 ],} se puede detectar si se ha producido un cambio de régimen. Dichos análisis requieren series de datos a largo plazo y que se supere el umbral en estudio. ^{[ 20 ]} Por lo tanto, la respuesta dependerá de la calidad de los datos; se basa en eventos y solo permite explorar tendencias pasadas.

Algunos académicos han argumentado, basándose en análisis estadísticos de series temporales , que ciertos fenómenos no corresponden a cambios de régimen. ^{[ 65 ] [ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]} Sin embargo, el rechazo estadístico de la hipótesis de que un sistema tiene múltiples atractores no implica que la hipótesis nula sea verdadera. ^{[ 6 ]} Para ello, es necesario demostrar que el sistema tiene un solo atractor. En otras palabras, la evidencia de que los datos no exhiben múltiples regímenes no descarta la posibilidad de que un sistema pueda cambiar a un régimen alternativo en el futuro. Además, en la toma de decisiones gerenciales, puede ser arriesgado asumir que un sistema tiene un solo régimen, cuando regímenes alternativos plausibles tienen consecuencias altamente negativas. ^{[ 6 ]}

Por otro lado, una pregunta más relevante que "¿se ha producido un cambio de régimen?" es "¿es el sistema propenso a cambios de régimen?". Esta pregunta es importante porque, incluso si han mostrado cambios graduales en el pasado, su dinámica puede volverse abrupta o discontinua en el futuro dependiendo de la configuración de sus parámetros. Esta cuestión se ha explorado por separado en diferentes disciplinas para diferentes sistemas, impulsando el desarrollo de métodos (por ejemplo, cambios de régimen impulsados ​​por el clima en el océano ^{[ 66 ]} o la estabilidad de las redes tróficas ^{[ 69 ] [ 70 ]} ) y continuando inspirando nuevas investigaciones.

La investigación sobre cambios de régimen se lleva a cabo en múltiples ecosistemas y a diversas escalas. Entre las nuevas áreas de investigación se incluyen las alertas tempranas de cambios de régimen y nuevas formas de modelización.

Se han realizado esfuerzos significativos para identificar señales de alerta temprana de transiciones críticas. ^{[ 73 ] [ 74 ] [ 75 ] [ 76 ] [ 77 ] [ 78 ] [ 79 ] [ 80 ] Los sistemas que se aproximan a un punto de bifurcación muestran un comportamiento característico llamado ralentización crítica que conduce a} una recuperación cada vez más lenta de las perturbaciones. Esto, a su vez, puede conducir a un aumento en la autocorrelación (espacial o temporal) y la varianza, mientras que los espectros de varianza tienden a frecuencias más bajas, ^{[ 74 ] [ 77 ] [ 78 ]} y la 'dirección de la ralentización crítica' en el espacio de estados de un sistema puede ser indicativa del estado futuro de un sistema cuando las retroalimentaciones negativas retardadas que conducen a dinámicas oscilatorias u otras dinámicas complejas son débiles. ^{[ 71 ]} Los investigadores han explorado señales de alerta temprana en lagos, dinámicas climáticas, la selva amazónica , ^{[ 81 ]} bosques en todo el mundo, ^{[ 72 ]} redes alimentarias, transiciones de tierras áridas y ataques epilépticos. ^{[ 74 ]}

Aún no está claro qué tan bien funcionan estas señales para todos los cambios de régimen, y si las alertas tempranas dan tiempo suficiente para tomar las correcciones de gestión adecuadas para evitar el cambio. ^{[ 82 ] [ 4 ]} Además, las señales de alerta temprana también dependen de series de datos intensivas y de buena calidad que son raras en ecología. Sin embargo, los investigadores han utilizado datos de alta calidad para predecir cambios de régimen en un ecosistema lacustre. ^{[ 83 ]} Los cambios en los patrones espaciales como indicador de cambios de régimen también se han convertido en un tema de investigación. ^{[ 30 ] [ 84 ] [ 85 ]}

Otro frente de investigación es el desarrollo de nuevos enfoques para el modelado. Los modelos dinámicos , ^{[ 86 ] [ 87 ]} las redes bayesianas de creencias , ^{[ 88 ]} la información de Fisher , ^{[ 89 ]} y los mapas cognitivos difusos ^{[ 90 ]} se han utilizado como herramienta para explorar el espacio de fases donde es probable que ocurran cambios de régimen y comprender la dinámica que rige los umbrales dinámicos. Los modelos son simplificaciones útiles de la realidad, cuyos límites vienen dados por la comprensión actual del sistema real, así como por las suposiciones del modelador. Por lo tanto, se requiere una comprensión profunda de las relaciones causales y la fuerza de las retroalimentaciones para capturar la dinámica de posibles cambios de régimen. Sin embargo, dicha comprensión profunda solo está disponible para sistemas muy estudiados, como los lagos poco profundos. Se requiere el desarrollo de métodos para abordar el problema de los datos limitados de series temporales y la comprensión limitada de la dinámica del sistema , de manera que se permita la identificación de los principales impulsores de los cambios de régimen, así como la priorización de las opciones de gestión.

Otras áreas de investigación emergentes incluyen el papel de los cambios de régimen en el sistema terrestre, las consecuencias en cascada entre los cambios de régimen y los cambios de régimen en los sistemas socioecológicos.