Los cambios de régimen son cambios importantes, 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 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 los servicios de los ecosistemas 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 unpunto de bifurcación , también pueden denominarse transiciones críticas . [3]
Los académicos han estado interesados en sistemas que exhiben cambios no lineales durante mucho tiempo. Desde principios del siglo XX, los matemáticos han desarrollado un cuerpo 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 la teoría de catástrofes ; una rama de la teoría de la bifurcación en sistemas dinámicos.
En ecología, la idea de sistemas con múltiples regímenes, dominios de atracción llamados estados alternativos estables , solo surgió a finales de los sesenta a partir de las primeras reflexiones sobre el significado de estabilidad en 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 un trabajo importante de Noy-Meir (1975) en sistemas de pastoreo ; [13] Mayo (1977) en sistemas de pastoreo, sistemas de recolección , plagas de insectos y sistemas hospedadores- parasitoides ; [14] Jones y Walters (1976) con pesqueríassistemas; [15] y Ludwig et al. (1978) con brotes de insectos . [dieciséis]
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 recopilaron pruebas más sustanciales de cambios de régimen para 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 las ciencias políticas , 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 la producción de un sistema está determinada por su historia o las condiciones iniciales, y donde están sus dominios de atracción. reforzado por retroalimentaciones. Los conceptos tales como regímenes institucionales internacionales , transiciones socio-técnicas 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 publicados por ISI Web of Knowledge aumentaron de menos de 5 por año antes de 1990 a más de 300 por año de 2007 a 2011. Sin embargo, la aplicación de los conceptos relacionados con el cambio de régimen sigue siendo 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, uno tiene 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 motor, [17] para los biólogos marinos los regímenes de solo cinco años son aceptables y podrían ser inducidos únicamente por la dinámica de la población. [18] En la Tabla 1 se recopila una gama no exhaustiva de definiciones actuales de cambios de régimen en la literatura científica reciente de la ecología y campos afines.
Cuadro 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.
Fuente | Definición | Modificación |
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Collie y col. 2004 [17] | "Se identifican tres tipos diferentes de cambio de régimen (suave, abrupto y discontinuo) sobre la base de diferentes patrones en la relación entre la respuesta de una variable del ecosistema (generalmente biótica) y algún forzamiento o condición externa (variable de control). El régimen suave El cambio se representa por una relación cuasi-lineal entre las variables de respuesta y control. El cambio de régimen abrupto exhibe una relación no lineal entre las variables de respuesta y control, y el cambio de régimen discontinuo se caracteriza por la trayectoria de la variable de respuesta que difiere cuando la variable de fuerza aumenta en comparación con cuando disminuye (es decir, la aparición de estados alternativos "estables") " | "Los" cambios de régimen "se consideran aquí como cambios de baja frecuencia y gran amplitud en las condiciones oceánicas que pueden ser especialmente pronunciados en las variables biológicas y propagarse a través de varios niveles tróficos " |
Bakun 2004 (en Collie et al.2004) | "cambio radical persistente en los niveles típicos de abundancia o productividad de múltiples componentes importantes de la estructura de la comunidad biológica marina, que se produce en múltiples niveles tróficos y en una escala geográfica que es al menos regional en extensión" | |
Walker y Meyers, 2004 [19] | "Un cambio de régimen que involucra estados estables alternos ocurre cuando se pasa un nivel de umbral de una variable de control en un sistema, de modo que la naturaleza y extensión de las retroalimentaciones cambian, lo que resulta en un cambio de dirección (la trayectoria ) del sistema en sí. Un cambio ocurre cuando los procesos internos del sistema ... han cambiado y el estado del sistema ... comienza a cambiar en una dirección diferente, hacia un atractor diferente ". | |
Andersen y col. 2009 [20] | "Los cambios de régimen ecológico se pueden definir como cambios abruptos en varios niveles tróficos que conducen a una rápida reconfiguración del ecosistema entre estados alternativos" | |
Cumming y Norberg, 2008 [21] | "la capacidad de un sistema para cambiar internamente entre diferentes procesos de autorrefuerzo que dominan el funcionamiento del sistema" | |
Brock, Carpenter y Scheffer 2008 (Capítulo 6 en Cumming y Norberg) | "Cambios de régimen, reorganizaciones sustanciales de sistemas complejos con consecuencias prolongadas ... En la política ambiental, los cambios de régimen plantean la posibilidad de que las tensiones incrementales puedan evocar cambios grandes e inesperados en los servicios de los ecosistemas y los medios de vida humanos" | |
Biggs y col. 2009 [4] | "Los cambios de régimen ecológico son cambios grandes y repentinos en los ecosistemas que duran períodos sustanciales de tiempo ... Los cambios de régimen implican cambios en la dinámica interna y retroalimentaciones de un ecosistema que a menudo le impiden volver a un régimen anterior, incluso cuando el impulsor que precipitado el cambio se reduce o se elimina ... Los cambios de régimen suelen ser el resultado de una combinación de cambios graduales en una variable impulsora subyacente (o conjunto de variables), combinados con un impacto externo, como una tormenta o un incendio " | "Definimos un cambio de régimen como el período durante el cual el aumento anual en la población de planctívoros (F) excedió el 10%. En el modelo, los cambios de régimen tienen una duración típica de ≈15 años, lo que refleja límites plausibles en la tasa de crecimiento de F" |
Norström y col. 2009 [18] | "Ciertas condiciones pueden, en última instancia, resultar en estados estables alternativos persistentes (ASS), que se caracterizan por un conjunto diferente de procesos, funciones y mecanismos de retroalimentación de los ecosistemas ..." | "Definimos los cambios de fase como una gran disminución en la cobertura de coral que coincide con aumentos sustanciales en algún organismo bentónico alternativo , debido a un pulso o perturbación de la prensa, que ha persistido> 5 años. Se utilizó un tiempo de persistencia mínimo de 5 años, ya que esto es en de acuerdo con el marco de tiempo de los estudios que describen casos de cambios de fase de coral a estados de macroalgas ... " |
Scheffer (2009) [3] | "un cambio relativamente brusco de un régimen a otro contrastante, donde un régimen es un 'estado' dinámico de un sistema con sus características fluctuaciones estocásticas y / o ciclos" |
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 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 la gestión sustancial o el 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 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 por el debilitamiento de los procesos internos estabilizadores ( retroalimentación ) o por perturbaciones externas que superan la capacidad estabilizadora de un sistema.
Los sistemas propensos a cambios de régimen pueden mostrar tres tipos diferentes de cambios: suaves, abruptos o discontinuos, [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 se puede describir mediante una relación casi lineal entre procesos rápidos y lentos; el cambio abrupto muestra una relación no lineal entre las 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. Los sistemas que exhiben este último tipo de cambio demuestranhistéresis . Los sistemas histeréticos tienen dos propiedades importantes. Primero, la reversión de un 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 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 a menudo se denominan umbrales. En ecología, por ejemplo, un umbral es un punto en el que se produce un cambio brusco en la calidad, propiedad o fenómeno de un ecosistema; o donde pequeños cambios en un impulsor 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 tanto, un mismo sistema puede presentar cambios suaves, bruscos o discontinuos en función de las configuraciones de sus parámetros. Sin embargo, los umbrales estarán presentes solo en los casos en que sea posible un cambio brusco 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 la ecología se desarrollaron en modelos para la depredación, el pastoreo, la pesca y la dinámica de los brotes insertados. Desde la década de 1980, el desarrollo adicional de modelos se ha complementado con evidencia empírica de cambios de régimen en ecosistemas que incluyen 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 matorrales , que se cree que sigue una dinámica de cambio suave. [7] La invasión de matorrales 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 bosques. Se ha documentado que la invasión afecta los servicios de los ecosistemas relacionados con la cría de ganado en las sabanas húmedas de África y América del Sur. [24] [25] [26]A escala regional, se cree que las áreas de selva tropical en la Amazonía 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 de los bosques 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 ártico en verano está reforzando el calentamiento climático a través de la retroalimentación del albedo, lo que podría afectar los niveles del agua del mar y la regulación del clima en todo el mundo.
Los sistemas acuáticos se han estudiado en profundidad 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 aguas turbias, que conduce a la proliferación de algas tóxicas y 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 cambiado a un régimen de agua turbia, una nueva retroalimentación del reciclaje de fósforo mantiene el sistema en el estado eutrófico incluso si la entrada de nutrientes se reduce significativamente.
Otro ejemplo ampliamente estudiado en los sistemas acuáticos y marinos es la disminución del nivel trófico en las redes tróficas . 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, medusas). [37] [38] [39] [40] [41] Las redes tróficas afectadas a menudo tienen impactos en la productividad pesquera, un riesgo importante de eutrofización , hipoxia, invasión de especies exóticas 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, es impulsada por aportes de nutrientes de origen antropogénico pero también de origen natural en forma de afloramientos . En concentraciones elevadas de nutrientes, los niveles de oxígeno disuelto disminuyen, imposibilitando la vida de la mayoría de los organismos acuáticos. [42] Los impactos en los servicios de los ecosistemas incluyen el colapso de la pesca y la producción de gases tóxicos para los seres 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 cambiar a un régimen dominado por algas carnosas; [43] [44] [45] [46] [47] pero también se ha informado que se desplazan hacia los corales blandos, coralimorpharianos, 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 de la pesca, 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 las regiones templadas del océano. Los bosques de algas marinas se caracterizan por estar dominados por macroalgas marrones y albergan altos niveles de biodiversidad, lo que proporciona servicios ecosistémicos de aprovisionamiento tanto para la industria cosmética como para la pesca. Dichos 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. Degradación de las tierras secasocurre cuando la pérdida de vegetación transforma un ecosistema de ser vegetado a estar dominado por suelos desnudos. Si bien se ha propuesto que este cambio sea impulsado por una combinación de agricultura y pastoreo de ganado, pérdida de tradiciones seminómadas, extensión de la infraestructura, reducción de la flexibilidad administrativa y otros factores económicos, es controvertido porque ha sido difícil determinar si existen es de hecho un cambio de régimen y qué impulsores lo han causado. Por ejemplo, se ha propuesto que la pobreza es un motor de la degradación de las tierras secas, pero los estudios encuentran continuamente pruebas contradictorias. [58] [59] [60] [61] Los servicios de los ecosistemas afectados por la degradación de las tierras secas suelen incluir una baja productividad de la biomasa, lo que reduce el aprovisionamiento y los servicios de apoyo para la agricultura y el ciclo del agua.
Las regiones polares se han centrado en la investigación que examina 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 . Si bien 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, lo que a su vez debilita el agua impulsada por la densidad. transporte entre los trópicos y las zonas polares. [62] [63] Ambos cambios de régimen tienen serias 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 de los ecosistemas.
Utilizando métodos estadísticos bien conocidos actuales, como desviaciones estándar promedio , análisis de componentes principales o 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 traspasar el umbral en estudio. [20] Por tanto, la respuesta dependerá de la calidad de los datos; se basa en eventos y solo permite explorar tendencias pasadas.
Algunos académicos han argumentado, basándose en el análisis estadístico de series de tiempo, 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 solo tiene un atractor. En otras palabras, la evidencia de que los datos no exhiben 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 asumir que un sistema tiene un solo régimen, cuando los regímenes alternativos plausibles tienen consecuencias muy negativas. [6]
Por otro lado, una pregunta más relevante que "¿ha ocurrido 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 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 sigue inspirando nuevas investigaciones.
La investigación sobre el cambio de régimen se está produciendo en múltiples ecosistemas y en múltiples escalas. Las nuevas áreas de investigación incluyen alertas tempranas de cambios de régimen y nuevas formas de modelado.
Se han realizado importantes esfuerzos para identificar señales de alerta temprana de transiciones críticas . [4] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] Los sistemas que se acercan a un punto de bifurcación muestran un comportamiento característico llamado desaceleración crítica que conduce a una recuperación cada vez más lenta de las perturbaciones. Esto, a su vez, puede conducir a un aumento en la autocorrelación y varianza (espacial o temporal), mientras que los espectros de varianza tienden a frecuencias más bajas [72] [75] [76] y la 'dirección de desaceleración crítica' en el espacio de estados de un sistema. puede ser indicativo del estado futuro de un sistema cuando las retroalimentaciones negativas retardadas que conducen a dinámicas oscilatorias u otras dinámicas complejas son débiles.[71] Los investigadores han explorado las señales de alerta temprana en los lagos, la dinámica climática, las redes tróficas, las transiciones a tierras secas y los ataques de epilepsia. [72] 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 administrativas apropiadas para evitar el cambio. [73] [4] Además, las señales de alerta temprana también dependen de series intensivas de datos de buena calidad que son raras en ecología. Sin embargo, los investigadores han utilizado datos de alta calidad para predecir cambios de régimen en el ecosistema de un lago. [79] Los cambios en los patrones espaciales como indicador de cambios de régimen también se han convertido en un tema de investigación. [30] [80] [81]
Otro frente de investigación es el desarrollo de nuevos enfoques de modelado. Modelos dinámicos , [82] [83] Redes de creencias bayesianas , [84] Información de Fisher , [85] y mapas cognitivos difusos [86]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 sobreimplificaciones 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 la fuerza de la retroalimentación para capturar la posible dinámica de cambio de régimen. Sin embargo, este conocimiento profundo 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 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.