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del Sitio Web QuantaMagazine
traducción de
Adela Kaufmann
fotografía de Todd Pearson / Fotografía Submarina Engbretson
Los científicos han localizado una señal de advertencia que surge en los sistemas complejos como las redes de alimentos ecológicos, el cerebro y el clima de la Tierra. ¿Podría esto ayudar a prevenir futuras catástrofes?
Asentado en los bosques del norte de Wisconsin, el Lago Peter, una vez repleto de peces dorados, Cabezones y otros "peces pequeños" (minnows), que arrancaban las pulgas que se alimentan de algas de las turbias aguas.
Entonces, hace siete años, un equipo de ecologistas comenzó llenar la población del lago con la depredadora lubina americana.
A las 39 lubinas ya presentes, ellos agregaron 12, luego 15 más de un año después, y otros 15 por mes después de eso. La lubina perseguía a los peces pequeños y condujo a los sobrevivientes a la costa rocosa, lo que dio rienda suelta a las pulgas para multiplicarse y escoger el agua limpia.
Mientras tanto, las crías de róbalos - anteriormente devoradas por los peces pequeños - florecieron, y en 2010, la población de róbalos explotó a más de 1,000. El dominante ecosistema original de peces pequeños vinculados con algas había desaparecido, y comenzó el reino de la lubina en el agua clara.
Hoy en día, la lubina americana todavía nada rampante.
El experimento del Lago Peter demostró un problema bien conocido con los sistemas complejos:
Pero los sistemas que presentan este tipo de "transiciones críticas" tienden a ser tan complicados y lleno de bucles de retroalimentación que los expertos no pueden aspirar a calcular de antemano dónde se encuentran sus puntos de inflexión - o la cantidad adicional de manipulación que pueden soportar antes de romperse de manera irrevocable a un nuevo estado.
Cortesía de Steve Carpenter, el Lago Peter (parte inferior), un cuerpo de seis acres de agua en la Universidad de Notre Dame del Centro de Investigación del Medio Ambiente que ha sido utilizado en los experimentos de los ecosistemas desde 1951, está separado por un dique de tierra de Lago Peter, que sirve como una referencia durante los experimentos.
En el Lago Peter, sin embargo, Stephen Carpenter y su equipo vieron venir la crítica transición.
Remando de trampa en trampa para atrapar pececillos retorciéndose y cosechar otros datos de todos los días durante tres veranos, los investigadores capturaron la primera evidencia de campo de una señal de alerta temprana que se teoriza que surge en muchos sistemas complejos mientras derivan deriva hacia sus puntos desconocidos de no retorno.
La señal, un fenómeno llamado "desaceleración crítica" es una prolongación del tiempo que un sistema tarda en recuperarse de pequeñas perturbaciones, tales como una enfermedad que reduce la población de peces pequeños, en la proximidad de una transición crítica.
Esto se produce porque las fuerzas estabilizadoras internos de un sistema - sean las que sean - se vuelven más débiles cerca del punto en el que de repente propulsan el sistema hacia un estado diferente.
Desde el estudio del Lago Peter, el interés en el retraso crítico se ha extendido a través de disciplinas, trayendo consigo la esperanza de prevenir e impedir una gran cantidad de catastróficas fallas.
A medida que los teóricos refinan su comprensión del fenómeno, los experimentadores están reuniendo más evidencia de que en una mezcla de sistemas del mundo real.
Los expertos subrayan que el estudio de la crítica ralentización está en sus primeras etapas, y aún no está lista para servir como una llamada a la acción en la gestión de los sistemas reales.
En algunos casos, un respuesta a la señal podría salvar una especie en peligro, una salud mental del paciente, o una industria. Sin embargo, en otros tipos de sistemas complejos que se han estudiado matemáticamente - tales como las redes alimentarias que, a diferencia del Lago Peter, son tan caóticas que no exhiben transiciones críticas en todos - la misma señal podría ser una falsa alarma.
Carpenter, que ha vuelto al Lago Peter para un nuevo experimento, dice que se necesita mucha más investigación para resolver estos casos diferentes.
Mientras tanto, dijo,
Un Pez dos Peces
Un amante de la naturaleza que disfruta de la pesca, la caza y la formación de un lanzallamas en las plantas no nativas alrededor de su casa en el suroeste de Wisconsin, Carpenter,
Carpenter ha trabajado de manera intermitente durante 35 años en la reserva experimental donde se encuentra el Lago Peter, haciendo uso de los sistemas relativamente cerrados que proporcionan los lagos para probar grandes ideas en teoría de la complejidad.
Una desaceleración crítica, como una idea, puede ser remontada por lo menos hasta la década de 1950, cuando los físicos teorizaron que surgiría en ciertas propiedades de la materia cerca de una fase de cambio.
Pero como Carpenter dice, la utilidad potencial de desaceleración crítica permaneció desconocida hasta una difusa conversación en 2003 en un restaurante-bar en Tobago, donde él y varios compañeros se habían reunido para una conferencia.
Jeff Miller / Universidad de Wisconsin, Madison Stephen Carpenter, profesor de zoología y director del Centro de Limnología de la Universidad de Wisconsin, Madison, de pie en el lago Mendota cerca de la costa del campus.
Crawford "Buzz" Holling, un eminente ecologista teórico canadiense, había comenzado recordando una explicación célebre de las plagas de insectos que él y dos colaboradores habían desarrollado en 1978.
Ellos mostraron que en un modelo matemático de un ecosistema boscoso en evolución, cuando las condiciones eran correctas, era posible que un pequeño cambio en estas condiciones afectara una explosión repentina de insectos que matan los árboles, como sucede cada pocas décadas en los bosques de abetos de Canadá y Estados Unidos.
Pero había un aspecto del modelo que Holling dijo que nunca había entendido: Antes de un brote, cuando los insectos son todavía escasos, pero el bosque modelo se desplazaba hacia su punto de inflexión, la población de insectos comenzaría a variar más y más erráticamente de un lugar a otro a través del bosque.
Sentado en la mesa estaba William "Buz" Brock, un economista matemático especializado en sistemas dinámicos en Madison.
Brock supo de inmediato por qué la variación en la población de insectos había aumentado cerca del borde de un brote. Él sacó un bloc de notas amarillo, y, entre un par de botellas de vino, explicó la crítica ralentización a sus compañeros ecologistas.
Carpenter dijo que se dio cuenta "inmediatamente" que el fenómeno podría servir como una señal de advertencia ecológica.
Resultó que el ecologista alemán Cristian Wissel había señalado lo mismo hacía 20 años, pero casi nadie se había dado cuenta.
La red alimentaria del Lago Peter tiene dos estados estables, conocidos en la jerga matemática como "atractores".
Una vez más, el ecosistema es impulsado auto-reforzando el bucle de realimentación.
Andrew Silver para la Revista Quanta, con el diseño de Olena Shmahalo y la fotografía de Todd Pearson / Fotografía Submarina Engbretson
En un diagrama simplificado de estados posibles del ecosistema, los dos estados estables forman las secciones superior e inferior de una curva en forma de S.
Si el ecosistema se aleja de esta curva, vuelve rápidamente a ella, permaneciendo anclado ya sea a la parte superior o en el estado más bajo dependiendo de qué bucle de retroalimentación domina su dinámica.
Con el tiempo el ecosistema puede vagar horizontalmente a lo largo de la curva, arrastrado por una corriente de influencias externas, hacia una de las curvas cerradas - un punto de inflexión.
Cuando Carpenter y su tripulación hizo crecer la población de lubinas del lago, el ecosistema derivó de la parte inferior izquierda de la curva S hacia la primera curva. A medida que se aproximaba a este punto de inflexión, el bucle de realimentación que favoreció a los pececillos comenzó a perder su dominio sobre el bucle de realimentación de la competencia, lo que favoreció a la lubina. Los efectos casi se anulan mutuamente.
En consecuencia, cuando enfermedades y otras perturbaciones aleatorias empujan las poblaciones de la especie fuera de la curva, lleva mucho más tiempo que el ecosistema vuelva a estabilizarse. Esta es una ralentización crítica.
La desaceleración permite que se acumulen alteraciones en el ecosistema, por lo que, en el modelo de Holling, la variación en el número de insectos aumenta cerca del borde de un brote. Y cuando Carpenter y su equipo contaron pececillos en 60 trampas cada día, la variación en los conteos de lubinas también aumentó al irse acercando el punto crítico de inflexión.
La cadena alimenticia del lago Peter está ahora anclada a la parte superior de la curva S.
Extrayendo las suficientes lubinas para propulsar el sistema a su punto de inflexión y restaurarlo a su estado dominado por los peces pequeños probablemente sólo será posible mediante un despiadado e indiscriminado veneno para peces.
De todos modos, no es necesario.
Para el nuevo experimento del Lago Peter, el predominio de las lubinas o los pececillos es irrelevante.
Ralentizaciones críticas
La desaceleración crítica tiene que ser accionable para ser útil en la prevención de catástrofes en el mundo real.
Hace dos años, Carpenter y su equipo comenzaron a enriquecer gradualmente al Lago Peter con nutrientes para conducirlo al borde de una transición crítica diferente: el inicio de la floración de las algas.
Cuando estuvieron estadísticamente seguros de que habían medido una ralentización crítica en los niveles de pH y algas, ellos dejaron de enriquecer el lago, y esperaron para ver si el florecimiento de algas podría suceder de cualquier manera o si la respuesta de los investigadores a la señal permitía al lago para volver a su normalidad.
Eventualmente, dijo, los administradores de ecosistemas con recursos limitados pueden utilizar mediciones de reducir fundamentalmente la velocidad para comparar el bienestar relativo de los diferentes lagos, calificándolos en categorías de sano, deteriorado y condenado, y concentrar sus esfuerzos donde puedan hacer la mayor diferencia.
Cortesía de Lisandro Benedetti-Cecchi Las aguas intermareales fuera de Capraia, una isla italiana, están dominadas por, ya sea bosques en miniatura con diversidad de especies (parte superior) o el tepe ambientalmente menos favorable (parte inferior). El bosque presenta indicadores de alerta temprana antes de caer al estado de tepe.
Lisandro Benedetti-Cecchi, ecologista de la Universidad de Pisa, en Italia, ha encontrado fuertes señales de desaceleración crítica en respuesta al deterioro de un ecosistema marino intermareal en el Mediterráneo.
Allí, la zona intermareal puede ser dominada ya sea por diversidad de especies de bosques en miniatura, o por el tepe, que es desfavorable para el medio ambiente.
A medida que Benedetti-Cecchi y su equipo deterioraron pequeños parches de bosque, conduciéndolos hacia el punto de inflexión en el que el tepe se hace cargo (cuidando para evitar dañar áreas no experimentales), midieron la crítica ralentización en el tiempo de recuperación del bosque.
En un estudio separado que aún no ha sido publicado, se encontraron con que la longitud de recuperación, o la distancia necesaria para una región dominada por el tepe a la transición de vuelta a una región dominada por bosques sanos, también aumentó cerca del punto de inflexión.
Benedetti-Cecchi espera que las mediciones del tiempo de recuperación y duración eventualmente se vuelvan parte de la caja de herramientas de cada guardián de vida salvaje de la fauna costera.
Marten Scheffer y sus colaboradores han encontrado que la crítica ralentización en las variaciones del estado de ánimo puede servir como un indicador de episodios depresivos inminentes.
Están ahora en busca de la señal en la actividad neuronal antes de los ataques de migraña, que afectan a un 12 por ciento de los adultos y se cree que son provocados por transiciones críticas en la corteza cerebral.
Otros investigadores han comenzado a utilizar la desaceleración crítica como una herramienta para predecir el futuro del clima de la Tierra.
Ya en 2008, Vasilis Dakos de ETH Zurich en Suiza y colaboradores encontraron evidencia en los datos paleo-climáticos, que la ralentización crítica precedió a muchos cambios climáticos bruscos en la historia de la Tierra, tales como,
...sugiriendo que muchos de los grandes sistemas climáticos experimentan transiciones críticas.
En un estudio de los datos de observación actuales (La Ralentización de la Varibilidad del Clima del Pacífico Norte y sus implicaciones para el cambio abrupto de los Ecosistemas - Slowing down of North Pacific Climate Variability and Its Implications for Abrupt Ecosystem Change) publicado en septiembre, Tim Lenton y Chris Boulton, los científicos del sistema terrestre en la Universidad de Exeter, en el Reino Unido, midieron una ralentización de las fluctuaciones de temperatura de la superficie marina en un patrón de circulación oceánica llamado Oscilación Decadal del Pacífico (PDO).
La PDO en sí no parece sufrir transiciones críticas, pero un debilitamiento de sus fuerzas estabilizadoras internas podría ser una mala noticia para los ecosistemas marinos relacionados que sí tienen puntos de inflexión.
Actualmente, dijo Lenton, los científicos del clima tienden a tratar las transiciones críticas en el clima de la Tierra como eventos de alto impacto pero de baja probabilidad.
Sin embargo, una,
Pero sin ventana al funcionamiento interno de la mayoría de los intrincados sistemas complejos, a menudo podemos sólo adivinar si tienen múltiples estados estables y transiciones críticas.
Muchos sistemas del mundo real parecen seguir el modelo del Lago Peter. Pero otros son tan caóticos que sus variables evolucionan de manera imprevisible y no presentan transiciones críticas en absoluto.
Esto podría ser cierto en algunos sistemas climáticos, e incluso algunos lagos.
En 2010, los ecologistas teóricos de la Universidad de California, Davis, demostraron que en un modelo particular de una red alimentaria de tres especies del lago, una de las especies puede salir de su equilibrio y extinguirse sin tener que mostrar signos de desaceleración crítica.
A diferencia de la curva S en representación de estados estables del Lago Peter para estos ecosistemas, dijo Hastings
En otros casos, la desaceleración crítica puede estar presente en un sistema, pero demasiado débil para ser fácilmente medida.
Jeff Gore, un biofísico en el Instituto de Tecnología de Massachusetts y un co-investigador en el estudio de la costa mediterránea, también ha conducido una serie de estudios detallados (Indicadores Genéricos para la Pérdida de Resiliencia antes de un Punto de Inflexión que lleva al Colapso de la Población - Generic Indicators for Loss of Resilience Before a Tipping Point Leading to Population Collapse) de ralentización crítica en cultivos de levaduras de laboratorio - ecosistemas que Gore admite que no le importan, pero que exhiben inequívocas transiciones críticas.
En los cultivos de levaduras que son estabilizados por múltiples influencias del medio ambiente, al mismo tiempo, el equipo de Gore informó recientemente que las señales de desaceleración crítica pueden (para ciertas combinaciones de influencias) desteñirse y son difíciles de detectar.
Un reciente artículo de revisión por Scheffer, Carpenter, Dakos y Egbert van Nes, de la Universidad de Wageningen se resume lo que se sabe actualmente sobre el alcance de la desaceleración crítica, incluyendo sus limitaciones.
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