El amanecer de la ecología universal


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¿Puede la ciencia trazar leyes que rijan las interacciones entre los seres vivos, incluso fuera de nuestro sistema solar?

Existe un debate en la ecología sobre si existen leyes ecológicas, análogas a las reglas universales que sustentan la física y las matemáticas. Esta discusión es importante por varias razones. Según algunos, las leyes son la verdadera marca de una disciplina científica, por lo que el estado de la ecología como rama de la ciencia depende del resultado. La existencia de leyes ecológicas también podría marcar una diferencia en la práctica de la ecología. Si no hay leyes por descubrir, los ecologistas parecen estar en el negocio de simplemente suministrar un conjunto de modelos localizados. Estos modelos serían evaluados por su adecuación empírica en contextos específicos, pero no por su capacidad de capturar verdades universales. Si, por otro lado, la ecología tiene leyes, Esto invita a una mayor exploración de cuáles son estas leyes y cuál podría ser su utilidad para describir la dinámica ecológica. Una forma de abordar la búsqueda de leyes ecológicas es considerar cómo sería la ecología en otros planetas. Si esperamos que algunos aspectos de la ecología de la Tierra se mantengan en otras partes del universo, tendríamos buenas razones para sospechar la existencia de leyes ecológicas.

En la Tierra, las bacterias crecen exponencialmente, el lince come liebres y las poblaciones de pandas rojos disminuyen debido a la pérdida y fragmentación del hábitat. ¿Cuánto de esta ecología podríamos esperar encontrar en otros planetas? Por supuesto, no encontraríamos linces, liebres, pandas rojos o bacterias de la Tierra en un planeta ubicado fuera de nuestro sistema solar. Pero, ¿podrían los organismos allí crecer exponencialmente y responder a los depredadores, las presas y la pérdida de hábitat de la misma manera que sus contrapartes terrestres? ¿Cómo podríamos saberlo? Veamos a la física para obtener alguna orientación. Las leyes de la física son las mismas en todo el universo. Sin embargo, las condiciones locales cambian: la aceleración debida a la gravitación en la superficie de Marte es de aproximadamente 3.7 m / s2 en lugar de los 9.8 m / s2 aquí en la Tierra. Pero en ambos planetas, la aceleración debida a la gravedad es proporcional a la masa del planeta. En este ejemplo, mirar más allá de las diferencias superficiales en la dinámica de un sistema revela la ley científica que subyace a las diferencias. La misma lógica puede aplicarse a la ecología. Tome el principio ecológico central de que, cuando los recursos son ilimitados, las poblaciones crecen exponencialmente. Este principio, propuesto por Thomas Malthus en 1798, podría considerarse como la piedra angular de la ecología de la población. Los ecologistas tienen todas las razones para creer que este principio es perfectamente generalizable. Después de todo, es una extensión lógica de la idea de que cada organismo produce tantos descendientes como puede. Una falla en el crecimiento exponencial requeriría una reducción sistemática en la producción reproductiva general. En un sistema con recursos ilimitados, tal disminución sería inexplicable. El crecimiento exponencial es, por lo tanto, un principio invariable; codifica la idea de que las poblaciones de organismos reproductores mantienen una tasa de reproducción constante independientemente del tiempo o el lugar. El principio del crecimiento exponencial es un candidato para una ley ecológica. Argumentamos que este principio juega un papel fundamental en la teoría ecológica como lo hace la primera ley de Newton en física. Pero en cualquier planeta, los recursos son limitados, y esto cambia las cosas. Sujeto a esta realidad, una población crece (casi) exponencialmente al principio, pero la tasa de crecimiento disminuye a medida que la población se acerca a la capacidad de carga, la población máxima que el medio ambiente puede soportar. Al acercarse a este límite, la competencia por los recursos entre los miembros de la población significa que la densidad de la población se vuelve importante, y la reducción resultante en los recursos individuales provoca una desaceleración del crecimiento de la población. Los biólogos de población grafican esta variabilidad del crecimiento dependiente de la densidad utilizando curvas de crecimiento de la población en forma de S. El hecho de que ninguna población ligada a la Tierra crezca exponencialmente para siempre da testimonio de la ubicuidad de los factores limitantes dependientes de la densidad. Por lo tanto, este principio también puede ajustarse a la ley de universalidad. Ahora pasemos a algunos trabajos recientes sobre las relaciones de escala en ecología que sugieren principios adicionales que podrían formar la base de las leyes ecológicas.

Los ecologistas saben desde hace tiempo que el metabolismo se escala alométricamente con el tamaño del cuerpo. Es decir, el metabolismo de un organismo varía con su masa corporal elevada a algún exponente, y ese exponente generalmente es menor que uno. Como en todas las alometrías orgánicas, los datos pueden ser ruidosos, pero la relación estadística es clara. Lo que ha impresionado a los ecologistas en los últimos años es el grado en que otras variables ecológicas clave que también se sabe que varían alométricamente con el tamaño del cuerpo (abundancia, productividad y características demográficas) parecen estar interconectadas de formas que finalmente parecen vinculadas a las tasas metabólicas individuales. . En general, los valores de los exponentes en cuestión se derivan claramente del exponente del metabolismo (Tamaño, Función e Historia de Vida, Harvard University Press, 1984; Metabolic Ecology: A Scaling Approach, ed. RM Sibly, et al., Wiley-Blackwell, 2012). Pero notablemente, dos propiedades son invariables con respecto al tamaño del cuerpo; en otras palabras, tienen exponentes de cero. La tasa reproductiva máxima por generación no está relacionada con el tamaño del cuerpo de la especie. Del mismo modo, el uso de energía de poblaciones de diferentes especies en una comunidad tampoco está relacionado con el tamaño del cuerpo de una especie. Por ejemplo, la cebra (250 kg) y el ratón de madera (35 g) pueden producir al máximo aproximadamente cuatro crías por hembra por generación, y sus poblaciones usan energía a una tasa promedio de aproximadamente 65 MJ por km2 por día. El uso de energía de poblaciones de diferentes especies en una comunidad tampoco está relacionado con el tamaño del cuerpo de una especie. Por ejemplo, la cebra (250 kg) y el ratón de madera (35 g) pueden producir al máximo aproximadamente cuatro crías por hembra por generación, y sus poblaciones usan energía a una tasa promedio de aproximadamente 65 MJ por km2 por día. El uso de energía de poblaciones de diferentes especies en una comunidad tampoco está relacionado con el tamaño del cuerpo de una especie. Por ejemplo, la cebra (250 kg) y el ratón de madera (35 g) pueden producir al máximo aproximadamente cuatro crías por hembra por generación, y sus poblaciones usan energía a una tasa promedio de aproximadamente 65 MJ por km2 por día.

Si el exponente de la tasa metabólica fuera diferente, todos los demás exponentes cambiarían, excepto los de estos dos, que permanecen constantes. Tal invariancia indica que algo está funcionando de la misma manera, en promedio, en todos los tamaños corporales. Estas relaciones invariables son como las leyes discutidas anteriormente: no se ven afectadas por los detalles locales, y podemos esperar que sean válidas en todas partes. En la novela Contacto de Carl Sagan, una señal alienígena que fue reconocida como enviada por vida inteligente consistió en una serie de números primos en notación binaria. La idea es que cualquier civilización inteligente debería haber descubierto los números primos y reconocer la notación binaria como fundamental. De hecho, las matemáticas son las mismas en todas partes: 2 + 2 = 4 es cierto en la Tierra como lo es en todo el cosmos, y 7 es un número primo sin importar dónde viva. Dejando de lado la notación, las matemáticas extraterrestres deben ser idénticas a las matemáticas terrestres. Tenemos muchas razones para esperar que las leyes de la física y las matemáticas se mantengan en rincones remotos del universo. Un trabajo reciente sobre alometrías ecológicas sugiere que los investigadores pueden estar descubriendo leyes fundamentales de interacción biológica: ecología universal, si lo desea. No solo esperaríamos que la vida en otros planetas obedeciera estas relaciones alométricas, sino que razonablemente podríamos esperar formas de vida inteligentes para descubrir estas relaciones. Un trabajo reciente sobre alometrías ecológicas sugiere que los investigadores pueden estar descubriendo leyes fundamentales de interacción biológica: ecología universal, si lo desea.

Mark Colyvan es profesor de filosofía en la Universidad de Sydney. John Damuth es ecologista de la Universidad de California, Santa Bárbara. Lev R. Ginzburg es un ecólogo teórico que se retiró de la Universidad Stony Brook en 2015 y es presidente de Applied Biomathematics, una firma privada de investigación ecológica y software. Los tres eran académicos visitantes en el Stellenbosch Institute for Advanced Study en Sudáfrica, donde se concibió este artículo.

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