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Modelo de ecosistema

Diagrama estructural del modelo del 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 varía en escala desde una población individual hasta una comunidad ecológica o incluso un bioma entero ), que se estudia para comprender mejor el sistema real. [2]

A partir de los datos obtenidos en el campo, se derivan relaciones ecológicas (como la relación entre la disponibilidad de luz solar y agua y la tasa fotosintética , o la relación entre las poblaciones de depredadores y presas ) y se combinan para formar modelos de ecosistemas . Estos sistemas modelo se estudian a continuación para hacer predicciones sobre la dinámica del sistema real. A menudo, el estudio de las imprecisiones del modelo (al compararlo con las observaciones empíricas) conducirá a la generación de hipótesis sobre posibles relaciones ecológicas que aún no se conocen o no se comprenden bien. 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 la simulación de procesos ecológicos durante períodos de tiempo muy largos (es decir, simular un proceso que lleva siglos en la realidad, se puede hacer 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] ecotoxicología y salud ambiental , [5] [6] agricultura , [7] y conservación de la vida silvestre . [8] El modelado ecológico incluso se ha aplicado a la arqueología con diversos grados de éxito, por ejemplo, combinándose con modelos arqueológicos para explicar la diversidad y movilidad de 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 / computación . Los modelos analíticos son típicamente 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 cuales las soluciones analíticas son poco prácticas o imposibles. Los modelos de simulación tienden a ser más utilizados y generalmente se consideran más realistas ecológicamente, mientras que los modelos analíticos son valorados por su elegancia matemática y poder explicativo. [10] [11] [12] Ecopath es un poderoso sistema de software que utiliza métodos de simulación y computacionales para modelar ecosistemas marinos . Es ampliamente utilizado por científicos marinos y pesqueros como una herramienta para modelar y visualizar las relaciones complejas que existen en los ecosistemas marinos del mundo real. [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]

Diseño de modelo

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

El proceso de diseño de modelos comienza con una 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 que a menudo son impredecibles o tan complejas que es imposible incorporarlas en un modelo computable. Debido a esta complejidad , los modelos de ecosistemas suelen simplificar los sistemas que están estudiando a un número limitado de componentes que se comprenden bien y se consideran 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 que se van 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 la confusa cuestión del espacio. Sin embargo, para muchos problemas ecológicos, la dinámica espacial es una parte importante del problema, y ​​los diferentes entornos espaciales conducen a resultados muy diferentes. Los modelos espacialmente explícitos (también llamados modelos "espacialmente distribuidos" o "paisaje") intentan incorporar un entorno espacial heterogéneo al modelo. [27] [28] [29] Un modelo espacial es uno que tiene una o más variables de estado que son una función del espacio o pueden estar relacionadas con otras variables espaciales. [30]

Validación

Después de la construcción, los modelos se validan para garantizar que los resultados sean aceptablemente precisos o realistas. Un método consiste en probar el modelo con múltiples conjuntos de datos que sean independientes del sistema real que se está estudiando. Esto es importante ya que ciertas entradas pueden hacer que un modelo defectuoso produzca resultados correctos. Otro método de validación consiste en comparar el resultado del modelo con los datos recopilados a partir de observaciones de campo. Los investigadores suelen especificar de antemano cuánta disparidad están dispuestos a aceptar entre los parámetros que produce un modelo y los calculados a partir de los datos de campo. [31] [32] [33] [34] [35]

Ejemplos

Las ecuaciones de Lotka-Volterra

Una muestra de la serie temporal del modelo Lotka-Volterra . Nótese que las dos poblaciones presentan un comportamiento cíclico y que el ciclo del depredador va a la zaga del 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 representa una especie presa y la otra su depredador.

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 son simples, ilustran algunas de las características más destacadas de los modelos ecológicos: las poblaciones biológicas modeladas experimentan crecimiento , interactúan con otras poblaciones (ya sea como depredadores, presas o competidores ) y sufren mortalidad . [ cita requerida ]

Una alternativa creíble y simple al modelo depredador-presa de Lotka-Volterra y sus generalizaciones comunes dependientes de la presa es el modelo dependiente de la proporción o modelo de Arditi-Ginzburg . [40] Los dos son los extremos del espectro de modelos de interferencia de depredadores. Según los autores de la visión alternativa, los datos muestran que las interacciones verdaderas en la naturaleza están tan lejos del extremo de Lotka-Volterra en el espectro de interferencia que el modelo simplemente puede descartarse como erróneo. Están mucho más cerca del extremo dependiente de la proporción, por lo que si se necesita un modelo simple, se puede usar el modelo de Arditi-Ginzburg como la 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 en el crecimiento poblacional.

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". Revista de investigación marina . 48 (3): 591–639. doi :10.1357/002224090784984678.
  2. ^ Hall, Charles AS y Day, John W. (1990). Modelado de ecosistemas en teoría y práctica: una introducción con casos prácticos . 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 para 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. p. 7. ISBN 978-1-56670-574-5.
  6. ^ Forbes, Valery E. (2009). "El papel de los modelos ecológicos en las evaluaciones de riesgo desde el punto de vista académico". En Thorbek, Pernille (ed.). Modelos ecológicos para evaluaciones de riesgo regulatorias de pesticidas: 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 América del Norte, 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 de paisaje para la conservación de la vida silvestre". Modelos para la planificación de la conservación de la vida silvestre en grandes paisajes . Academic Press. p. 1. ISBN 978-0-12-373631-4.
  9. ^ Marwick, Ben (2013). "Óptimos múltiples en la paleoeconomía y paleoecología de artefactos de piedra lascada hoabinhianos en dos sitios arqueológicos en el noroeste de Tailandia". Revista de arqueología antropológica . 32 (4): 553–564. doi : 10.1016/j.jaa.2013.08.004 .
  10. ^ Jørgensen, Sven Erik (1996). Manual de modelado ambiental y ecológico. CRC Press. pp. 403–404. ISBN 978-1-56670-202-7.
  11. ^ Grant, William Edward y Swannack, Todd M. (2008). Modelado ecológico: un enfoque de sentido común para la teoría y la práctica. John Wiley & Sons. pág. 74. ISBN 978-1-4051-6168-8.
  12. ^ Hall & Day, 1990, pág. 9
  13. ^ Pauly, D. (2000). "Ecopath, Ecosim y Ecospace como herramientas para evaluar el impacto de la pesca en los ecosistemas". ICES Journal of Marine Science . 57 (3): 697–706. doi : 10.1006/jmsc.2000.0726 .
  14. ^ Christensen, Villy; Walters, Carl J. (2004). "Ecopath con Ecosim: métodos, capacidades y limitaciones". Modelado ecológico . 172 (2–4): 109–139. doi :10.1016/j.ecolmodel.2003.09.003.
  15. ^ Christensen V (2009) "El futuro de Ecopath" [ enlace muerto permanente ‍ ] En: Palomares, MLD, Morissette L, Cisneros-Montemayor A, Varkey D, Coll M, Piroddi C (Eds), Ecopath 25 Years Conference Proceedings: Extended Abstracts , Fisheries Centre Research Reports 17 (3): 159–160. Universidad de Columbia Británica.
  16. ^ Khan, MF; Preetha, P.; Sharma, AP (2015). "Modelado de la red alimentaria para la evaluación del impacto de la suplementación de stock en un ecosistema de reservorio en la India". Gestión pesquera y ecología . 22 (5): 359–370. doi :10.1111/fme.12134.
  17. ^ Panikkar, Preetha; Khan, M. Feroz; Desai, VR; Shrivastava, NP; Sharma, AP (2014). "Caracterización de las interacciones tróficas de un ecosistema de reservorio tropical dominado por bagres para evaluar los efectos de las prácticas de gestión". Biología ambiental de los peces . 98 : 237–247. doi :10.1007/s10641-014-0255-6. S2CID  16992082.
  18. ^ Panikkar, Preetha; Khan, M. Feroz (2008). "Modelos tróficos comparativos de masa balanceada para evaluar el impacto de las medidas de gestión ambiental en un ecosistema de reservorio tropical". Ecological Modelling . 212 (3–4): 280–291. doi :10.1016/j.ecolmodel.2007.10.029.
  19. ^ Feroz Khan, M.; Panikkar, Preetha (2009). "Evaluación de los impactos de los peces invasores en la estructura de la red alimentaria y las propiedades del ecosistema de un embalse tropical en la India". Ecological Modelling . 220 (18): 2281–2290. doi :10.1016/j.ecolmodel.2009.05.020.
  20. ^ Odum, HT (1971). Medio ambiente, poder y sociedad. Wiley-Interscience Nueva York, NY
  21. ^ Soetaert, Karline y Herman, Peter MJ (2009). Una guía práctica para el modelado ecológico: uso de R como plataforma de simulación. Springer. p. 11. ISBN 978-1-4020-8623-6.
  22. ^ Gillman, Michael y Hails, Rosemary (1997). Introducción a la modelización ecológica: la aplicación práctica de la teoría. Wiley-Blackwell. pág. 4. ISBN 978-0-632-03634-9.
  23. ^ Müller, Felix; et al. (2011). "¿Cuáles son las condiciones generales en las que se pueden aplicar los modelos ecológicos?". En Jopp, Fred; et al. (eds.). Modelado de dinámicas ecológicas complejas . Springer. págs. 13–14. ISBN 978-3-642-05028-2.
  24. ^ Hall & Day, 1990: pág. 21
  25. ^ Hall & Day, 1990: pág. 19
  26. ^ Buschke, Falko T.; Seaman, Maitland T. (2011). "Grupos funcionales de alimentación como sustituto taxonómico de un conjunto de artrópodos de pastizales". Invertebrados africanos . 52 : 217–228. doi : 10.5733/afin.052.0112 .
  27. ^ McCallum, Hamish (2000). "Parámetros espaciales". Parámetros de población: estimación para modelos ecológicos . Wiley-Blackwell. pág. 184. ISBN 978-0-86542-740-2.
  28. ^ Tenhunen, John D.; et al., eds. (2001). Enfoques ecosistémicos para la gestión del paisaje en Europa Central. Saltador. págs. 586–587. ISBN 978-3-540-67267-8.
  29. ^ Ball, George L. (1999). "Modelado ecológico". Enciclopedia de ciencias ambientales . Springer. pág. 154. ISBN 978-0-412-74050-3.
  30. ^ Sklar, Fred H. y Hunsaker, Carolyn T. (2001). "El uso y las incertidumbres de los datos espaciales para los modelos de paisaje: una descripción general con ejemplos de los Everglades de Florida". En Hunsaker, Carolyn T. (ed.). Incertidumbre espacial en ecología: implicaciones para la teledetección y las aplicaciones de SIG . Springer. pág. 15. ISBN 978-0-387-95129-4.
  31. ^ Jørgensen, Sven Erik y Bendoricchio, G. (2001). Fundamentos de la modelización ecológica. Publicaciones profesionales del Golfo. pag. 79.ISBN​ 978-0-08-044028-6.
  32. ^ Pastorok, Robert A. (2002). "Introducción". Modelado ecológico en la evaluación de riesgos: efectos químicos en poblaciones, ecosistemas y paisajes. CRC Press. p. 22. ISBN 978-1-56670-574-5.
  33. ^ Shifley, SR (2008). "Validación de modelos de apoyo a la toma de decisiones a escala del paisaje que predicen la dinámica de la vegetación y la vida silvestre". En Millspaugh, Joshua J.; Thompson, Frank Richard (eds.). Modelos para la planificación de la conservación de la vida silvestre en grandes paisajes . Academic Press. pág. 419. ISBN 978-0-12-373631-4.
  34. ^ Voinov, Alexey (2008). Ciencia de sistemas y modelado para la economía ecológica. Academic Press. pág. 131. ISBN 978-0-12-372583-7.
  35. ^ Reuter, Hauke; et al. (2011). "¿Cuán válidos son los resultados de los modelos? Supuestos, rango de validez y documentación". En Jopp, Fred; et al. (eds.). Modelado de dinámicas ecológicas complejas . Springer. pág. 325. ISBN 978-3-642-05028-2.
  36. ^ Los trabajos anteriores sobre la viruela de Daniel Bernoulli y la superpoblación humana de Thomas Malthus son anteriores a los de Lotka y Volterra, pero no son estrictamente de naturaleza ecológica.
  37. ^ Lotka, AJ (1925). Los elementos de la biología física . Williams & Williams Co., Baltimore, EE. UU.
  38. ^ Volterra, Vito (1926). «Fluctuaciones en la abundancia de una especie consideradas matemáticamente». Nature . 118 (2972): 558–560. Bibcode :1926Natur.118..558V. doi : 10.1038/118558a0 .
  39. ^ Begon, M.; Harper, JL; Townsend, CR (1988). Ecología: individuos, poblaciones y comunidades . Blackwell Scientific Publications Inc., Oxford, Reino Unido.
  40. ^ Arditi, Roger; Ginzburg, Lev R. (1989). "Acoplamiento en la dinámica depredador-presa: dependencia de la proporción". Revista de biología teórica . 139 (3): 311–326. Código Bibliográfico :1989JThBi.139..311A. doi :10.1016/S0022-5193(89)80211-5.
  41. ^ Arditi, R. y Ginzburg, LR (2012) Cómo interactúan las especies: alterando la visión estándar sobre la ecología trófica Oxford University Press. ISBN 9780199913831 . 
  42. ^ Ulanowicz, Robert E. (1997). Ecología, la perspectiva ascendente. Columbia University Press. ISBN 978-0-231-10829-4.

Lectura adicional

Enlaces externos