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 completo ), que se estudia para comprender mejor el sistema real. [2]
Utilizando datos recopilados en el campo, se derivan relaciones ecológicas, como la relación entre la luz solar y la disponibilidad de agua y la tasa fotosintética , o entre poblaciones de depredadores y presas , y se combinan para formar modelos de ecosistemas . Estos sistemas modelo se estudian luego para hacer predicciones sobre la dinámica del sistema real. A menudo, el estudio de inexactitudes en el modelo (en comparación 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, la simulación de un proceso que en realidad lleva siglos, 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 las herramientas de piedra. [9]
Tipos de modelos
Hay dos tipos principales de modelos ecológicos, que generalmente se aplican a diferentes tipos de problemas: (1) modelos analíticos y (2) modelos de simulación / computacionales . 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 que las soluciones analíticas son imprácticas o imposibles. Los modelos de simulación tienden a ser más utilizados y generalmente se consideran más ecológicamente realistas, mientras que los modelos analíticos se valoran por su elegancia matemática y poder explicativo. [10] [11] [12] Ecopath es un potente 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 complejas relaciones que existen en los ecosistemas marinos del mundo real. [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]
Diseño de modelo
El proceso de diseño del modelo 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 formas que a menudo son impredecibles o tan complejas que resultan imposibles de incorporar a 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 una pequeña cantidad 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 entidades y procesos similares en grupos funcionales que se tratan como una unidad. [25] [26]
Después de establecer los componentes 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 el desconcertante problema del espacio. Sin embargo, para muchos problemas ecológicos, la dinámica espacial es una parte importante del problema, con diferentes entornos espaciales que conducen a resultados muy diferentes. Los modelos espacialmente explícitos (también llamados modelos "distribuidos espacialmente" o "paisaje") intentan incorporar un entorno espacial heterogéneo en el modelo. [27] [28] [29] Un modelo espacial es uno que tiene una o más variables de estado que son una función del espacio, o que 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 son 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 es comparar el resultado del modelo con los datos recopilados de las observaciones de campo. Los investigadores con frecuencia especifican de antemano cuánta disparidad están dispuestos a aceptar entre los parámetros generados por un modelo y los calculados a partir de datos de campo. [31] [32] [33] [34] [35]
Ejemplos de
Las ecuaciones de Lotka-Volterra
Uno de los modelos ecológicos más antiguos [36] y más conocidos 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 de presa y la otra su depredador.
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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 manera más general. [39] Aunque 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 simple y creíble al modelo de depredador-presa de Lotka-Volterra y sus generalizaciones dependientes de la presa común es el modelo de relación dependiente o 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 verdaderas interacciones en la naturaleza están tan lejos del extremo Lotka-Volterra en el espectro de interferencia que el modelo simplemente puede descartarse como incorrecto. Están mucho más cerca del extremo dependiente de la relación, por lo que si se necesita un modelo simple, se puede usar el modelo de Arditi-Ginzburg como primera aproximación. [41]
Otros
El ecologista teórico Robert Ulanowicz ha utilizado herramientas de la teoría de la información para describir la estructura de los ecosistemas, enfatizando la información mutua (correlaciones) en los sistemas estudiados. Basándose en esta metodología y 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 su entorno (como el aumento o 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 de la población.
Ver también
- Modelos compartimentales en epidemiología
- Modelo dinámico de vegetación global
- Previsión ecológica
- Gordon Arthur Riley
- Land Surface Model (LSM versión 1.0)
- Ley del mínimo de Liebig
- Biologia matematica
- Dinámica poblacional
- Ecología de la población
- Regla de Rapoport
- Modelado científico
- Sistemas dinámicos
Referencias
- ^ 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 .
- ^ Hall, Charles AS y Day, John W. (1990). Modelado de ecosistemas en teoría y práctica: una introducción con historias de casos . Prensa de la Universidad de Colorado. págs. 7-8. ISBN 978-0-87081-216-3.
- ^ Hall & Day, 1990: págs. 13-14
- ^ Dale, Virginia H. (2003). "Oportunidades de uso de modelos ecológicos para la gestión de recursos". Modelización ecológica para la gestión de recursos . págs. 3–19. doi : 10.1007 / 0-387-21563-8_1 . ISBN 978-0-387-95493-6.
- ^ Pastorok, Robert A. (2002). "Introducción" . Modelización ecológica en la evaluación de riesgos: efectos químicos en poblaciones, ecosistemas y paisajes . Prensa CRC. pag. 7 . ISBN 978-1-56670-574-5.
- ^ Forbes, Valery E. (2009). "El papel de la modelización ecológica en las evaluaciones de riesgo visto desde el punto de vista de un académico" . En Thorbek, Pernille (ed.). Modelos ecológicos para la evaluación de riesgos reglamentarios de plaguicidas: desarrollo de una estrategia para el futuro . Prensa CRC. pag. 89. ISBN 978-1-4398-0511-4.
- ^ Palladino, Paolo (1996). "Modelización Ecológica y Manejo Integrado de Plagas" . Entomología, ecología y agricultura: la creación de carreras científicas en América del Norte, 1885-1985 . Prensa de psicología. pag. 153. ISBN 978-3-7186-5907-4.
- ^ Millspaugh, Joshua J .; et al. (2008). "Principios generales para el desarrollo de modelos paisajísticos para la conservación de la vida silvestre" . Modelos para planificar la conservación de la vida silvestre en grandes paisajes . Prensa académica. pag. 1. ISBN 978-0-12-373631-4.
- ^ Marwick, Ben (2013). "Óptima múltiple en paleoeconomía y paleoecología de artefactos de piedra en escamas de Hoabinhian 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 .
- ^ Jørgensen, Sven Erik (1996). Manual de modelización medioambiental y ecológica . Prensa CRC. págs. 403–404. ISBN 978-1-56670-202-7.
- ^ Grant, William Edward y Swannack, Todd M. (2008). Modelado ecológico: un enfoque de sentido común a la teoría y la práctica . John Wiley e hijos. pag. 74. ISBN 978-1-4051-6168-8.
- ^ Hall & Day, 1990 p. 9
- ^ Pauly, D. (2000). "Ecopath, Ecosim y Ecospace como herramientas para evaluar el impacto de las pesquerías en el ecosistema" . Revista ICES de Ciencias Marinas . 57 (3): 697–706. doi : 10.1006 / jmsc.2000.0726 .
- ^ Christensen, Villy; Walters, Carl J. (2004). "Ecopath con Ecosim: métodos, capacidades y limitaciones". Modelización ecológica . 172 (2-4): 109-139. doi : 10.1016 / j.ecolmodel.2003.09.003 .
- ^ 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), Actas de la conferencia Ecopath 25 Years: Extended Resúmenes , Fisheries Center Research Reports 17 (3): 159–160. Universidad de Columbia Britanica.
- ^ 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". Ordenación pesquera y ecología . 22 (5): 359–370. doi : 10.1111 / fme.12134 .
- ^ 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 el bagre para evaluar los efectos de las prácticas de manejo". Biología ambiental de peces . 98 : 237–247. doi : 10.1007 / s10641-014-0255-6 . S2CID 16992082 .
- ^ 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". Modelización ecológica . 212 (3–4): 280–291. doi : 10.1016 / j.ecolmodel.2007.10.029 .
- ^ 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 reservorio tropical en la India". Modelización ecológica . 220 (18): 2281–2290. doi : 10.1016 / j.ecolmodel.2009.05.020 .
- ^ Odum, HT (1971). Medio ambiente, poder y sociedad. Wiley-Interscience Nueva York, NY
- ^ Soetaert, Karline y Herman, Peter MJ (2009). Una guía práctica para el modelado ecológico: utilizando R como plataforma de simulación . Saltador. pag. 11. ISBN 978-1-4020-8623-6.
- ^ Gillman, Michael y Hails, Rosemary (1997). Una introducción al modelado ecológico: poner la práctica en teoría . Wiley-Blackwell. pag. 4. ISBN 978-0-632-03634-9.
- ^ 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 . Saltador. págs. 13-14. ISBN 978-3-642-05028-2.
- ^ Hall & Day, 1990: p. 21
- ^ Hall & Day, 1990: p. 19
- ^ Buschke, Falko T .; Seaman, Maitland T. (2011). "Grupos de alimentación funcional como sustituto taxonómico de un ensamblaje de artrópodos de pastizales" . Invertebrados africanos . 52 : 217-228. doi : 10.5733 / afin.052.0112 .
- ^ McCallum, Hamish (2000). "Parámetros espaciales" . Parámetros de población: estimación para modelos ecológicos . Wiley-Blackwell. pag. 184. ISBN 978-0-86542-740-2.
- ^ 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.
- ^ Ball, George L. (1999). "Modelización ecológica" . Enciclopedia de ciencias ambientales . Saltador. pag. 154. ISBN 978-0-412-74050-3.
- ^ Sklar, Fred H. y Hunsaker, Carolyn T. (2001). "El uso y las incertidumbres de los datos espaciales para modelos de paisaje: una descripción general con ejemplos de los Everglades de Florida" . En Hunsaker, Carolyn T. (ed.). Incertidumbre espacial en ecología: implicaciones para aplicaciones de teledetección y SIG . Saltador. pag. 15. ISBN 978-0-387-95129-4.
- ^ Jørgensen, Sven Erik y Bendoricchio, G. (2001). Fundamentos de la modelización ecológica . Publicaciones profesionales del Golfo. pag. 79. ISBN 978-0-08-044028-6.
- ^ Pastorok, Robert A. (2002). "Introducción" . Modelización ecológica en la evaluación de riesgos: efectos químicos en poblaciones, ecosistemas y paisajes . Prensa CRC. pag. 22 . ISBN 978-1-56670-574-5.
- ^ Shifley, SR (2008). "Validación de modelos de soporte de decisiones a escala de paisaje que predicen la dinámica de la vegetación y la vida silvestre" . En Millspaugh, Joshua J .; Thompson, Frank Richard (eds.). Modelos para planificar la conservación de la vida silvestre en grandes paisajes . Prensa académica. pag. 419. ISBN 978-0-12-373631-4.
- ^ Voinov, Alexey (2008). Ciencia de sistemas y modelización para la economía ecológica . Prensa académica. pag. 131. ISBN 978-0-12-372583-7.
- ^ Reuter, Hauke; et al. (2011). "¿Cuán válidos son los resultados del modelo? Supuestos, rango de validez y documentación" . En Jopp, Fred; et al. (eds.). Modelado de dinámicas ecológicas complejas . Saltador. pag. 325. ISBN 978-3-642-05028-2.
- ↑ El trabajo anterior sobre la viruela de Daniel Bernoulli y la superpoblación humana de Thomas Malthus es anterior al de Lotka y Volterra, pero no es de naturaleza estrictamente ecológica.
- ^ Lotka, AJ (1925). Los elementos de la biología física . Williams & Williams Co., Baltimore, Estados Unidos.
- ^ Volterra, Vito (1926). "Fluctuaciones en la abundancia de una especie considerada matemáticamente" . Naturaleza . 118 (2972): 558–560. Código Bib : 1926Natur.118..558V . doi : 10.1038 / 118558a0 .
- ^ Begon, M .; Harper, JL; Townsend, CR (1988). Ecología: individuos, poblaciones y comunidades . Blackwell Scientific Publications Inc., Oxford, Reino Unido.
- ^ Arditi, Roger; Ginzburg, Lev R. (1989). "Acoplamiento en la dinámica depredador-presa: relación-dependencia". Revista de Biología Teórica . 139 (3): 311–326. doi : 10.1016 / S0022-5193 (89) 80211-5 .
- ^ Arditi, R. y Ginzburg, LR (2012) Cómo interactúan las especies: alteración de la visión estándar sobre ecología trófica Oxford University Press. ISBN 9780199913831 .
- ^ Ulanowicz, Robert E. (1997). Ecología, la perspectiva ascendente . Prensa de la Universidad de Columbia. ISBN 978-0-231-10829-4.
Otras lecturas
- 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". Ordenación pesquera y ecología . 22 (5): 359–370. doi : 10.1111 / fme.12134 .
- 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 el bagre para evaluar los efectos de las prácticas de manejo". Biología ambiental de peces . 98 : 237–247. doi : 10.1007 / s10641-014-0255-6 . S2CID 16992082 .
- 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". Modelización ecológica . 212 (3–4): 280–291. doi : 10.1016 / j.ecolmodel.2007.10.029 .
- 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 reservorio tropical en la India". Modelización ecológica . 220 (18): 2281–2290. doi : 10.1016 / j.ecolmodel.2009.05.020 .
enlaces externos
- Recursos de modelado ecológico (ecobas.org)
- Modelos de evaluación de la exposición Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos
- Ecotoxicología y modelos (ecotoxmodels.org)