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 mutuamente reforzados . Los regímenes se consideran persistentes en relación con el período de tiempo durante el cual se produce el cambio. El cambio de regímenes, o desplazamiento, suele ocurrir cuando un cambio suave en un proceso interno ( retroalimentación ) o una sola perturbación (shocks externos) desencadena un comportamiento del sistema completamente diferente. [5] [6] [7] [8] Aunque estos cambios no lineales han sido ampliamente estudiados en diferentes disciplinas que van desde los átomos hasta la dinámica climática, [9] los cambios de régimen han ganado importancia en la ecología porque pueden afectar sustancialmente el flujo de servicios ecosistémicos de los que dependen las sociedades, [4] [10] como el suministro de alimentos, agua potable o la 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] ), incluidas las tendencias actuales sobre el cambio climático inducido por el hombre 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 académicos han estado interesados durante mucho tiempo en los sistemas que exhiben cambios no lineales. Desde principios del siglo XX, los matemáticos han desarrollado un conjunto de conceptos y teorías para el estudio de tales fenómenos basados en el estudio de la dinámica de sistemas no lineales. Esta investigación condujo al desarrollo de conceptos como teoría de la catástrofe ; una rama de la teoría de la bifurcación en sistemas dinámicos.
En ecología, la idea de sistemas con regímenes múltiples, dominios de atracción llamados estados estables alternativos , sólo surgió a finales de los años 60 a partir de las primeras reflexiones sobre el significado de la estabilidad en los ecosistemas por parte de 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- parasitoides ; [14] Jones y Walters (1976) con sistemas pesqueros ; [15] y Ludwig et al. (1978) con brotes de insectos . [dieciséis]
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 de alta calidad a largo plazo. [17] Sin embargo, en la década de 1990 se recogieron pruebas más sustanciales de cambios de régimen en los bosques de algas marinas , los arrecifes de coral , las tierras secas y los 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 de la ecología, se han desarrollado conceptos similares de cambio no lineal en otras disciplinas académicas. Un ejemplo es el institucionalismo histórico en ciencias políticas , sociología y economía , donde conceptos como dependencia de trayectoria y 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 están determinados por su historia. reforzado por retroalimentaciones. Conceptos como regímenes institucionales internacionales , transiciones sociotécnicas y rendimientos crecientes tienen una base epistemológica similar a los cambios de régimen y utilizan modelos matemáticos similares.
Durante las últimas décadas, la investigación sobre el cambio de régimen ha crecido exponencialmente. Los artículos académicos reportados por 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 conceptos relacionados con el cambio de régimen todavía es controvertida.
Aunque no hay acuerdo sobre una definición, las ligeras diferencias entre las definiciones residen en el significado de estabilidad –la medida de lo que es un régimen– y el significado de brusquedad. Ambos dependen de la definición del sistema en estudio, por lo que es relativo. Al final es una cuestión de escala. Las extinciones masivas son cambios de régimen en la escala de tiempo geológico , mientras que las crisis financieras o los brotes de plagas son cambios de régimen que requieren una configuración de parámetros totalmente diferente.
Para aplicar el concepto a un problema particular, hay que limitar conceptualmente su rango de dinámica fijando categorías analíticas 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 los regímenes de sólo cinco años son aceptables y podrían ser inducidos únicamente por la dinámica demográfica. [18] En la Tabla 1 se recoge una gama no exhaustiva de definiciones actuales de cambios de régimen en la literatura científica reciente de la ecología y campos afines.
Tabla 1. Definiciones de cambios y modificaciones de régimen utilizadas para aplicar el concepto a preguntas de investigación particulares de la literatura científica publicada entre 2004 y 2009.
La base teórica para 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 pueda producir grandes efectos. En tales situaciones, la noción común de proporcionalidad entre entradas y salidas de un sistema es incorrecta. Por el contrario, el concepto de cambio de régimen también enfatiza la resiliencia de los sistemas, lo que sugiere que en algunas situaciones una gestión sustancial o un impacto humano pueden tener poco efecto en un sistema. Los cambios de régimen son difíciles de revertir y, en algunos casos, irreversibles. El concepto de cambio de régimen desvía la atención analítica de la linealidad y la previsibilidad hacia la reorganización y la sorpresa. Por tanto, 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 ya sea por el debilitamiento de los procesos internos estabilizadores ( realimentaciones ) o por shocks externos que exceden 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 fluido puede describirse mediante una relación casi lineal entre procesos rápidos y lentos; El cambio abrupto muestra una relación no lineal entre 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 retrocede. 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 cambiar más allá de 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 a menudo se denominan umbrales. En ecología, por ejemplo, un umbral es un punto en el que hay un cambio abrupto en la calidad, propiedad o fenómeno de un ecosistema; o donde pequeños cambios en un factor ambiental producen grandes respuestas en un ecosistema. [23] Los umbrales son, sin embargo, una función de varios parámetros que interactúan, por lo que cambian en el tiempo y el espacio. Por lo tanto, un mismo sistema puede presentar cambios suaves, abruptos o discontinuos dependiendo de la configuración de sus parámetros. Sin embargo, los umbrales estarán presentes sólo en los casos en que sea posible un cambio abrupto y discontinuo.
La evidencia empírica ha completado cada vez más el trabajo basado en modelos sobre cambios de régimen. Los primeros trabajos sobre cambios de régimen en ecología se desarrollaron en modelos de depredación, pastoreo, pesca y dinámica de brotes insertados. Desde la década de 1980, el desarrollo posterior de modelos se ha complementado con evidencia empírica de cambios de régimen en ecosistemas como bosques de algas marinas , arrecifes de coral , tierras secas y lagos .
Los académicos han recopilado evidencia de cambios de régimen en una amplia variedad de ecosistemas y en una variedad 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 hacer que las tierras secas pasen de regímenes dominados por pastos a sabanas dominadas por bosques. Se ha documentado que la invasión afecta los servicios ecosistémicos relacionados con la ganadería en sabanas húmedas de África y América del Sur. [24] [25] [26] A escala regional, se cree que las áreas de selva tropical en el Amazonas y el este de Asia corren el riesgo de cambiar hacia regímenes de sabana debido al debilitamiento de la retroalimentación del reciclaje de humedad impulsada por la deforestación . [27] [28] [29] [30] [31] [32] El cambio del bosque a la sabana afecta potencialmente el suministro de alimentos, agua dulce, la regulación del clima y el apoyo a la biodiversidad. En el ámbito global, el retroceso más rápido de la capa de hielo del Ártico en verano está reforzando el calentamiento climático a través de la retroalimentación del albedo, afectando potencialmente los niveles del agua del mar y la regulación del clima en todo el mundo.
Los sistemas acuáticos han sido profundamente estudiados en la búsqueda de cambios de régimen. Los lagos funcionan como microcosmos ( sistemas casi cerrados ) que en cierta medida permiten la experimentación y la recopilación de datos. [2] [33] [34] La eutrofización es un cambio abrupto bien documentado de aguas claras a regímenes de aguas turbias, que conduce a la proliferación de algas tóxicas y a la reducción de la productividad de los peces en lagos y ecosistemas costeros. [33] [35] [36] La eutrofización está impulsada por los aportes de nutrientes, en particular los que provienen de los fertilizantes utilizados en la agricultura. Es un ejemplo de cambio discontinuo con histéresis. Una vez que el lago ha pasado a un régimen de aguas turbias, una nueva retroalimentación del reciclaje de fósforo mantiene el sistema en 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, las 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 los ambientes acuáticos y marino-costeros. La hipoxia, al igual que la eutrofización, está impulsada por aportes de nutrientes de origen antropogénico pero también de origen natural en forma de surgencias . En altas concentraciones de nutrientes los niveles de oxígeno disuelto disminuyen, imposibilitando la vida a la mayoría de los organismos acuáticos. [42] Los impactos sobre los servicios ecosistémicos incluyen el colapso de la pesca 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 de la biodiversidad marina. Los arrecifes dominados por corales duros pueden pasar a un régimen dominado por algas carnosas; [43] [44] [45] [46] [47] pero también se ha informado que cambian hacia regímenes de corales blandos, coralimorfarios, páramos de erizos o regímenes dominados por esponjas. [18] [48] Se informa que las transiciones de los arrecifes de coral afectan los servicios de los ecosistemas como la fijación de calcio, la limpieza del agua, el apoyo a la biodiversidad, la productividad pesquera, la protección de la costa y los servicios recreativos. [49] [50] Por otro lado, los bosques de algas marinas son ecosistemas marinos altamente productivos que se encuentran en regiones templadas del océano. Los bosques de algas marinas se caracterizan por estar dominados por macroalgas marrones y albergan altos niveles de biodiversidad, proporcionando servicios ecosistémicos tanto para la industria cosmética como para la pesca. Estos servicios se reducen sustancialmente cuando un bosque de algas marinas pasa a regímenes estériles de erizos, impulsado principalmente por la descarga de nutrientes de la costa y la sobrepesca. La sobrepesca y la sobreexplotación de depredadores clave, como las nutrias marinas , ejercen una presión de arriba hacia abajo 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 impulsado 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 cambia, los servicios ecosistémicos relacionados con la producción de alimentos (tanto cultivos como ganado) se reducen significativamente. [57] La degradación de las tierras secas , también conocida como desertificación , es un tipo de cambio de régimen bien conocido pero controvertido. La degradación de las tierras secas ocurre cuando la pérdida de vegetación transforma un ecosistema de vegetación a dominado por suelos desnudos. Si bien se ha propuesto que este cambio se debe a una combinación de agricultura y pastoreo de ganado, pérdida de tradiciones seminómadas, ampliación de la infraestructura, reducción de la flexibilidad de gestión y otros factores económicos, es controvertido porque ha sido difícil determinar si existe De hecho, se trata de un cambio de régimen y qué factores lo han provocado. Por ejemplo, se ha propuesto que la pobreza es una de las causas de la degradación de las tierras secas, pero los estudios encuentran continuamente pruebas contradictorias. [58] [59] [60] [61] Los servicios ecosistémicos afectados por la degradación de las tierras secas generalmente incluyen una baja productividad de la biomasa, lo que reduce el suministro y los servicios de apoyo para la agricultura y el ciclo del agua.
Las regiones polares han sido el foco de las investigaciones que examinan 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 . Mientras que 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, que a su vez debilita la densidad del agua. transporte entre los trópicos y las zonas 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 climática, entre otros servicios ecosistémicos.
Utilizando métodos estadísticos conocidos actualmente, 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 es necesario cruzar el umbral en estudio. [20] Por lo tanto, la respuesta dependerá de la calidad de los datos; está impulsado por 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 cierta. [6] Para hacerlo hay que demostrar que el sistema sólo tiene un atractor. En otras palabras, la evidencia de que los datos no muestran 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 de gestión, puede resultar arriesgado suponer que un sistema tiene un solo régimen, cuando regímenes alternativos plausibles tienen consecuencias muy 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 suaves en el pasado, su dinámica puede volverse potencialmente 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 en el océano impulsados por el clima [66] o la estabilidad de las redes alimentarias [69] [70] ) y continuando inspirando nuevas investigaciones.
La investigación sobre el cambio de régimen se está llevando a cabo en múltiples ecosistemas y a múltiples escalas. Las nuevas áreas de investigación incluyen alertas tempranas de cambios de régimen y nuevas formas de modelización.
Aún no está claro qué tan bien funcionan esas señales en todos los cambios de régimen, y si las alertas tempranas dan tiempo suficiente para tomar las correcciones administrativas apropiadas para evitar el cambio. [82] [4] Además, las señales de alerta temprana también dependen de series intensivas de datos de buena calidad que son poco comunes 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. Se han utilizado modelos dinámicos , [86] [87] redes de creencias bayesianas , [88] información de Fisher , [89] y mapas cognitivos difusos [90] como herramienta para explorar el espacio de fase donde es probable que se produzcan cambios de régimen y comprender el dinámicas que gobiernan los umbrales dinámicos. Los modelos son simplificaciones excesivas y 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 captar posibles dinámicas de cambio de régimen. Sin embargo, una comprensión tan profunda sólo está disponible para sistemas muy estudiados, como los lagos poco profundos. Se requiere el desarrollo de métodos para abordar el problema de los datos de series de tiempo limitados y la comprensión limitada de la dinámica del sistema , de tal manera que permitan la identificación de los principales impulsores de los cambios de régimen, así como la priorización de las opciones de gestión.
Otras áreas emergentes de investigación 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.