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 que se refuerzan mutuamente . Los regímenes se consideran persistentes en relación con el período de tiempo durante el cual ocurre el cambio. El cambio de regímenes, 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 estos 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 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 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] ), 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 sistemas que presentan cambios no lineales han sido objeto de interés por parte de los investigadores desde hace mucho tiempo. Desde principios del siglo XX, los matemáticos han desarrollado un conjunto de conceptos y teorías para el estudio de dichos fenómenos basándose 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 regímenes múltiples, dominios de atracción llamados estados estables alternativos , surgió recién a fines de los años 60, con base en las primeras reflexiones sobre el significado de la estabilidad en los ecosistemas 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 el trabajo importante de Noy-Meir (1975) en sistemas de pastoreo ; [13] May (1977) en sistemas de pastoreo, sistemas de cosecha , plagas de insectos y sistemas hospedantes -parasitoides ; [14] Jones y Walters (1976) con sistemas pesqueros ; [15] y Ludwig et al. (1978) con brotes de insectos . [16]
Estos primeros esfuerzos para 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 recopiló evidencia más sustancial de cambios de régimen para bosques de algas , arrecifes de coral , tierras secas 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 de 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 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 los regímenes institucionales internacionales , las transiciones sociotécnicas y los 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 publicados 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 los conceptos relacionados con el cambio de régimen aún es controvertida.
Aunque no hay acuerdo sobre una definición, las pequeñas 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 un ajuste de parámetros totalmente diferente.
Para aplicar el concepto a un problema particular, es necesario limitar conceptualmente su rango de dinámica mediante la fijación de 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 impulsor, [17] para los biólogos marinos son aceptables regímenes de solo cinco años y podrían ser inducidos únicamente por la dinámica de la población. [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 de régimen y modificaciones utilizadas para aplicar el concepto a preguntas de investigación particulares 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 pueda producir grandes efectos. En tales situaciones, la noción común de proporcionalidad entre las 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 un impacto humano o de gestión sustancial puede 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 lo 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 ( retroalimentaciones ) 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 suave puede describirse por una relación cuasi-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 cambia de nuevo. Los sistemas que exhiben este último tipo de cambio demuestran histéresis . Los sistemas histéricos tienen dos propiedades importantes. Primero, la reversión del cambio discontinuo requiere que un sistema cambie de nuevo 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 mejora enormemente el papel de la historia en un sistema y demuestra que el sistema tiene memoria, en el sentido de que su dinámica está determinada por eventos pasados.
Las condiciones en las que un sistema cambia su dinámica de un conjunto de procesos a otro suelen denominarse 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 producen grandes respuestas en un ecosistema. [23] Sin embargo, los umbrales son una función de varios parámetros que interactúan, por lo que cambian en el tiempo y el espacio. Por lo tanto, el mismo sistema puede presentar cambios suaves, abruptos o discontinuos según las configuraciones de sus parámetros. Sin embargo, los umbrales estarán presentes solo en los casos en que sea posible un cambio abrupto y discontinuo.
La evidencia empírica ha permitido que los trabajos basados en modelos sobre cambios de régimen se complementen cada vez más. Los primeros trabajos sobre cambios de régimen en ecología se desarrollaron en modelos para la depredación, el pastoreo, la pesca y la dinámica de brotes de insectos. Desde la década de 1980, el desarrollo posterior de los modelos se ha complementado con evidencia empírica de cambios de régimen en ecosistemas como los bosques de algas , los arrecifes de coral , las tierras secas y los lagos .
Los académicos 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 las tierras secas de regímenes dominados por pastizales a sabanas dominadas por árboles. Se ha documentado que la invasión impacta los servicios ecosistémicos relacionados con la ganadería en sabanas húmedas en África y Sudamérica. [24] [25] [26] A escala regional, se cree que las áreas de selva tropical en la Amazonia y el este de Asia corren el 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 la provisión de alimentos, agua dulce, regulación climática y 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, lo que potencialmente afecta los niveles de agua del mar y la regulación del clima 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 los que provienen 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 del 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 . Por lo general, 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 gran riesgo 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 entornos acuáticos y marino-costeros. La hipoxia, de manera similar a la eutrofización, es impulsada por los 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 de que cambian hacia regímenes dominados por corales blandos, coralimorfos, páramos de erizos o esponjas. [18] [48] Se informa que las transiciones de los arrecifes de coral afectan a los servicios ecosistémicos 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 son ecosistemas marinos altamente productivos que se encuentran en las regiones templadas del océano. Los bosques de algas están dominados característicamente 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 se desplaza hacia regímenes estériles de erizos impulsados 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 de abajo hacia arriba 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 estar cubierto de vegetación a estar 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 la infraestructura, reducción de la flexibilidad gerencial y otros factores económicos, es controvertido porque ha sido difícil determinar si realmente hay un cambio de régimen y qué impulsores lo han causado. Por ejemplo, se ha propuesto que la pobreza es un impulsor de la degradación de las tierras secas, pero los estudios encuentran continuamente evidencia contradictoria. [58] [59] [60] [61] Los servicios ecosistémicos afectados por la degradación de las tierras secas suelen incluir una baja productividad de biomasa, lo que reduce los servicios de abastecimiento y apoyo para la agricultura y el ciclo del agua.
Las regiones polares han sido el foco de atención 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 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 bien 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. Estos análisis requieren series de datos a largo plazo y que se haya cruzado el umbral en estudio. [20] Por lo tanto, la respuesta dependerá de la calidad de los datos; está impulsada por eventos y solo permite explorar tendencias pasadas.
Algunos investigadores han argumentado, basándose en el análisis estadístico 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, hay que demostrar que el sistema sólo tiene un atractor. En otras palabras, la evidencia de que los datos no presentan 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 ser arriesgado suponer que un sistema tiene sólo un régimen, cuando los regímenes alternativos plausibles tienen consecuencias altamente negativas. [6]
Por otra parte, una pregunta más relevante que "¿se ha producido un cambio de régimen?" es "¿el sistema es propenso a cambios de régimen?". Esta pregunta es importante porque, incluso si han mostrado cambios suaves en el pasado, su dinámica puede potencialmente volverse abrupta o discontinua en el futuro dependiendo de la configuración de sus parámetros. Esta pregunta se ha explorado por separado en diferentes disciplinas para diferentes sistemas, lo que ha impulsado el desarrollo de métodos (por ejemplo, los cambios de régimen impulsados por el clima en el océano [66] o la estabilidad de las redes alimentarias [69] [70] ) y continúa inspirando nuevas investigaciones.
Se están realizando investigaciones sobre cambios de régimen en múltiples ecosistemas y a múltiples escalas. Las nuevas áreas de investigación incluyen alertas tempranas de cambios de régimen y nuevas formas de modelado.
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 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. Los modelos dinámicos , [86] [87] las redes de creencias bayesianas , [88] la información de Fisher , [89] y los mapas cognitivos difusos [90] se han utilizado como una herramienta para explorar el espacio de fase donde es probable que ocurran cambios de régimen y comprender la dinámica que gobierna los umbrales dinámicos. Los modelos son simplificaciones útiles de la realidad, cuyos límites están dados por la comprensión actual del sistema real, así como por los supuestos del modelador. Por lo tanto, se requiere una comprensión profunda de las relaciones causales y de la fuerza de las retroalimentaciones para capturar la posible dinámica de cambio 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 de series de tiempo limitados y la comprensión limitada de la dinámica del sistema , de tal manera que permita 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.