Los expertos en modelado por computadora encuentran evidencia de que una combinación de competencia, depredación y evolución debería impulsar a los ecosistemas a la diversidad de especies en cualquier parte del universo.
Los ambientalistas han estado reflexionando sobre cómo las diferentes especies de plancton compiten por los mismos recursos en los ecosistemas marinos.En una reunión de la Sociedad Estadounidense de Naturalistas en 1960, el famoso ecologista británico J. Evelyn Hutchinson
describió la "
paradoja del plancton ". Si observa un matraz de agua de mar, estará lleno de varios representantes del plancton, compitiendo por los mismos elementos vitales y nutrientes. Al mismo tiempo, la selección natural afirma que con el tiempo un nicho ecológico debería ocupar una especie; este concepto se conoce como el "
principio de exclusión competitiva ". Lo que es cierto para el plancton es cierto para muchos protozoos, plantas, pájaros, peces y otros organismos. ¿Cómo pueden existir tantas especies competidoras en los ecosistemas en una coexistencia estable?
Desde ese momento, los ambientalistas reflexionan sobre esta molesta paradoja, pero generalmente se calman al proponer la hipótesis de matar al ganador (KTW) como una solución. Se basa en la relación depredador-presa que existe en el ecosistema entre ciertas especies. Cuando una especie comienza a exprimir a los competidores, el crecimiento de su población permite que los depredadores que la comen prosperen. Los depredadores finalmente reducen el número de víctimas (de ahí el "matar al ganador"). La combinación de competencia y depredación permite que varias poblaciones de especies en guerra coexistan en equilibrio. La hipótesis UP se ha convertido en una explicación conveniente para la
biodiversidad para muchos ecologistas.
Nigel Goldenfeld y Chi Sue del Instituto de Astrobiología y Biología Universal de la NASA y el Instituto de Genómica Biológica Karla WoeseCuando Nigel Goldenfeld, director del Instituto de Astrobiología y Biología Universal de la NASA, y Chi Sue, un estudiante graduado en su laboratorio en el Instituto de Genómica Biológica. Karl Woese, comenzó a estudiar la hipótesis UP con más detalle en 2015, no iban a refutarla. Estudiaron exactamente qué propiedades de la vida y los ecosistemas se pueden encontrar en todas partes en el espacio. La biodiversidad parecía ser un buen candidato para tal propiedad. "Si observa los diversos ecosistemas aislados de la Tierra, puede encontrar biodiversidad en todas partes", dijo Sue. Estaban interesados en lo que esta biodiversidad podría crear y mantener, y si factores similares funcionarían en otros planetas.
Pero encontraron los cálculos poco realistas que se usaban comúnmente en modelos para confirmar la hipótesis UP. “Describen las poblaciones como si los individuos individuales no existieran. Es como si estuviéramos describiendo un líquido sin considerar los átomos ”, explicó Goldenfeld en una carta. Como estos modelos permitieron que las poblaciones se recuperaran incluso después de que el número de individuos se redujera a un pequeño porcentaje, subestimaron la probabilidad de extinción. Goldenfeld y Sue llamaron a este problema la ausencia de "ruido estocástico", ya que los cálculos no reflejan perturbaciones de secuencia matemáticamente aleatorias impuestas por una restricción del mundo real.
Sue y Goldenfeld decidieron rehacer las modelos, dándoles realismo. "No esperábamos que la hipótesis UP dejara de funcionar", dijo Sue. "Solo queríamos ver si algo cambia con la adición de ruido".
Los resultados que describieron recientemente en la revista Physical Review Letters resultaron ser desastrosos. Las cifras sobre biodiversidad y la coexistencia de especies no solo han disminuido, sino que han desaparecido. "De hecho, todas las especies se han extinguido", dijo Sue. En repetidas pruebas, las poblaciones fluctuantes de víctimas cayeron constantemente a cero, y luego los depredadores se extinguieron debido a la falta de alimentos. A veces, el sistema se degradó a un solo par de especies, presas y depredadores, que existieron durante bastante tiempo, pero incluso estas opciones no siempre fueron estables. Rica en diversificación inherente a la naturaleza, no estaba en ninguna parte.
Pero Sue y Goldenfeld dieron otro paso, incorporando algo que las simulaciones anteriores no tenían en cuenta: la evolución. Permitieron a las víctimas mejorar su capacidad para evadir a los depredadores, y los depredadores para mejorar la captura de presas.
Como resultado, se desarrolló una carrera armamentista cuando las capacidades crecientes de víctimas y depredadores evolucionaron en paralelo, y eso cambió todo. Esta competencia agregó variedad de especies al sistema, y los efectos de la UE impidieron la victoria de una de las especies. La biodiversidad ha florecido.
Sue y Goldenfeld ven evidencia de la dinámica de la coevolución en la naturaleza en genómica. "Si estudia las bacterias y encuentra áreas del genoma que se están desarrollando más rápido, entonces resulta que estas áreas están asociadas con la resistencia a los virus", dijo Sue. Como indica su modelo UP de coevolución, los efectos de la selección natural en el área de resistencia a los virus refuerzan otra motivación; por ejemplo, es mejor competir con otras bacterias.
Sin embargo, esto no es una evidencia completamente convincente, y los investigadores planean estudiar más a fondo la generalización de sus conclusiones. Quieren ver qué sucede si los depredadores son menos exigentes con las víctimas. Otro tema para pensar, dice Goldenfeld, es que además de matar bacterias y otras células, los virus a veces llevan genes entre ellas. Este doble papel de "depredador y taxista para los genes", dijo, "puede tener serias consecuencias para la evolución y la estabilidad de los ecosistemas".
Tampoco está claro si el modelo UP de coevolución es igualmente aplicable a todo tipo de vida. “En principio, la interacción de los depredadores y las víctimas no se limita a los microorganismos. Va a todas partes, hasta liebres y zorros ”, dijo Sue. Pero también señaló que su modelo sugiere que los cambios evolutivos (mutaciones) y los cambios ambientales (nacimiento y muerte de organismos) ocurren en la misma línea de tiempo y con una frecuencia aproximadamente igual. "Para especies como liebres y zorros, esto no es cierto, pero en los microorganismos a menudo se encuentra".
Según Jed Furman, profesor de ciencias biológicas en la Universidad del Sur de California, el modelado suele ser un enfoque útil, pero debe manejarse con precaución. "Algunos supuestos y aspectos se aplican directamente a los sistemas naturales complejos, y otros no". Dado que incluso las comunidades microbianas usan diferentes estrategias para la supervivencia, dijo, "los modelos pueden aplicarse a algunas partes de la comunidad más que a otras".
Pero si el modelo demuestra una amplia aplicabilidad, entonces, según Goldenfeld, "demostrará que existen enfoques muy generales para obtener poblaciones diversas en el ecosistema, y que los monocultivos son una excepción, no una regla". Se puede esperar que la evolución de la vida, incluso en otros planetas y lunas, conduzca a una diversidad de ecosistemas complejos. Dijo que una de las áreas futuras del trabajo de su laboratorio será el estudio de la "aparición del metabolismo social" de una variedad de organismos, cada uno de los cuales procesa sus propios materiales en un entorno común.
El sexto satélite más grande de Saturno, Encelado, es considerado uno de los lugares más prometedores del sistema solar donde podría haberse desarrollado vida extraterrestre. Las corrientes de agua atraviesan grietas en su superficie de hielo, lo que indica la presencia de un vasto océano de agua debajo del hielo.Esta idea puede ser útil para la exploración espacial cuando enviamos sondas en busca de vida en los océanos debajo del hielo que cubre la superficie de la luna de Júpiter, Europa, y la luna de Saturno, Encelado. Si hay vida allí, tendrán que ver los signos bioquímicos de ecosistemas enteros, no de organismos individuales.
Según Kevin Peter Hand, subdirector del proyecto en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, los instrumentos diseñados para sondas que viajan a Marte, Europa, Encelado y otros refugios potenciales para la vida ya están buscando signos de ecosistemas. Dijo que el concepto de sonda propuesto para Europa, en el que está trabajando, está especialmente diseñado para "tomar al menos nueve medidas complementarias diferentes que no responden a especies individuales", por ejemplo, la complejidad y la
quiralidad de los productos orgánicos. compuestos y la presencia en las muestras de estructuras que se asemejan a celulares.
Pero si los astrobiólogos hacen frente a la cuestión de la existencia fundamental de la vida extraterrestre y pueden comenzar a estudiar cuánto se parece la dinámica de otros ecosistemas a la de la Tierra, entonces el conocimiento de la solución a la paradoja del plancton puede desempeñar un papel decisivo.