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Un modelo matemático ayuda a aclarar la relación entre nutrientes y biodiversidad

El nivel de nutrientes en la tierra determina cuántos tipos distintos de plantas y árboles pueden crecer en un ecosistema, según un estudio recientemente publicado por biólogos y matemáticos estadounidenses y británicos en la revista Nature. Por primera vez se presenta un modelo matemático con todas las posibles relaciones entre nutrientes y biodiversidad en ecosistemas experimentales de laboratorio.

Los científicos han hallado que aunque la disponibilidad de nutrientes tiene un efecto claro sobre la biodiversidad, la relación precisa entre los dos depende de qué especies estén presentes en el ecosistema. Esto significa que en algunos casos los bajos niveles de nutrientes pueden dar lugar a altos niveles de biodiversidad.

Este nuevo estudio ha implicado a biólogos de la Universidad de California Santa Cruz (EE UU) que llevaron a cabo un experimento de laboratorio para descubrir cómo afectaban los distintos niveles de nutrientes al número de especies que evolucionaban en un ecosistema. Los matemáticos del Imperial College de Londres y de la Universidad de Bath (Reino Unido) elaboraron a continuación un modelo para demostrar hasta qué punto se podrían aplicar los resultados a escenarios del mundo real.

Los experimentos creados por los biólogos en EE UU consistieron en mini ecosistemas llenos de bacterias E. coli y un parásito que vive de ellas. Estas comunidades sencillas de huéspedes y patógenos representan a complejos ecosistemas del mundo real, como los bosques, en los que huéspedes como los árboles viven y evolucionan junto con patógenos como hongos, bacterias y virus.

El objetivo general de este estudio era descifrar el misterio de por qué algunos ecosistemas como las selvas tropicales están repletos de miles de especies de plantas diferentes, mientras que otros, como los bosques de pinos del norte de Europa mantienen a un número significativamente menor de tipos de plantas. Sin embargo, realizar una investigación de campo de este fenómeno puede ser difícil, prolongarse mucho en el tiempo y los resultados obtenidos ser de difícil interpretación.

En su lugar, los investigadores utilizaron series de miniecosistemas en el laboratorio que consistían en tubos de ensayo que contenían la bacteria E. coli, un líquido con alto contenido en azúcar, parecido al "Lucozade", como alimento de E. coli, y un parásito que vive de esta bacteria.

Para imitar los diferentes ambientes, los científicos variaron la cantidad de azúcar en cada “ecosistema” diferente, y a continuación registraron cuántas cepas nuevas de bacterias y parásitos evolucionaban en el caldo de cultivo con alto contenido en azúcar durante el transcurso de 150 generaciones, lo que llevó 17 días.

Sus resultados demostraron que, según cómo cambiaban los niveles de azúcar en el ecosistema, así cambiaba también el grado hasta el que evolucionaban las nuevas cepas. Este experimento demostró que la mayor biodiversidad se producía a partir de un bajo nivel de nutrientes.

El profesor Laurence Hurst, del Departamento de Biología de la Universidad de Bath, explica: “Los resultados en el laboratorio demostraron que la variación del nivel de alimento con alto contenido en azúcar en estos ecosistemas hacía que el nivel de biodiversidad en el ecosistema cambiase. Ello sugiere que la disponibilidad de nutrientes es uno de los factores que afectan al número de especies de plantas diferentes que viven en distintas partes del mundo. Anteriormente esto había sido demostrado en un laboratorio, pero lo que nosotros hemos querido hacer es utilizar las matemáticas para demostrar cómo pueden aplicarse estos resultados, que se refieren a un tipo de bacteria y a su parásito, a otros organismos y ecosistemas en el mundo real”.

El equipo de Bath y del Imperial College construyó un modelo para determinar si esta relación inversa sería la misma en todos los ecosistemas, tanto en el laboratorio como en el mundo real. Hallaron que aunque los nutrientes sí que afectan a la biodiversidad, la relación exacta entre los dos varía entre un ecosistema y otro, dependiendo de qué especies estén presentes.

Rob Beardmore, del Departamento de Matemáticas del Imperial College, explica: “Aunque hubo una relación clara entre los nutrientes y la biodiversidad en nuestro laboratorio, nuestro modelo matemático ha demostrado que en algunos ecosistemas te vas a encontrar con que niveles más altos de nutrientes dan lugar a más biodiversidad, que es lo contrario de lo que nuestros compañeros biólogos han descubierto en el laboratorio. Resulta que la naturaleza exacta de esta relación nutriente-diversidad varía de un ecosistema a otro, y depende de las complejas interacciones entre las especies que evolucionan unas junto a otras”.

El modelo matemático se puede utilizar para predecir qué impacto tendrán los diferentes niveles de nutrientes sobre la biodiversidad en cualquier ecosistema de laboratorio dado. El equipo dice que sus resultados son muy importantes para los científicos que utilizan experimentos de laboratorio a pequeña escala para investigar los fenómenos del mundo real.

Este estudio constituye asimismo la primera prueba real de que una teoría que se conoce como “hipótesis del mosaico geográfico de coevolución” es válida en ecosistemas del mundo real. La doctora Ivana Gudelj, coautora del documento, del Imperial College, explica: “Esta teoría que suena tan complicada afirma básicamente que la disponibilidad de nutrientes va a tener solo un efecto sobre la diversidad de un organismo si el organismo está implicado en una carrera de armamentos coevolutiva con patógenos o competidores, como era nuestra E. coli con su parásito. Nuestros compañeros biólogos han demostrado las pruebas de esto en el laboratorio, y nuestro modelo matemático sugiere que esta teoría también va a ser válida en ecosistemas del mundo real”.

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Referencia bibliográfica:

Samantha E. Forde (1), Robert E. Beardmore (2), Ivana Gudelj (2, 3), Sinan S. Arkin (2), John N. Thompson (1) and Laurence D. Hurst (4). “Understanding the limits to generalizability of experimental evolutionary models” Nature, 11 September 2008.

Fuente: Imperial College de Londres
Derechos: Creative Commons

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