I ricercatori della Michigan State University e della Carnegie Institution for Science hanno sviluppato un modello che collega la biologia microscopica all’ecologia macroscopica, che potrebbe approfondire la nostra comprensione delle leggi della natura e creare nuove opportunità nella gestione degli ecosistemi.
Segnalazione sul giornale Scienza il 16 febbraio, il team ha mostrato come le relazioni microscopiche nel plancton – come tra le dimensioni di un organismo e il consumo di nutrienti – si ingrandiscano fino a influenzare in modo prevedibile le reti alimentari.
“Utilizzando i dati che altri ricercatori hanno misurato su microscala su questi organismi, il nostro modello può prevedere cosa sta accadendo su scala di interi ecosistemi”, ha affermato Jonas Wickman, ricercatore post-dottorato associato al College of Natural Science della MSU e primo autore del nuovo articolo. .
“Ora possiamo mostrare come le regole di vita di livello inferiore si inseriscono in questi livelli superiori sulla base di interazioni ecologiche e considerazioni evolutive”, ha affermato Elena Litchman, scienziata senior presso la divisione Scienze e ingegneria della biosfera della Carnegie. “Fino ad ora, le persone avevano considerato questi livelli per lo più isolatamente.”
Questo nuovo rapporto consentirà al team e ai suoi colleghi di progettare nuovi esperimenti per testare, perfezionare ed espandere il modello estendendolo ad altre specie ed ecosistemi. Ciò potrebbe infine portare il modello a essere in grado di informare le strategie di gestione degli ecosistemi in vari ambienti in tutto il mondo.
Piccoli organismi, impatto globale
Il team è anche interessato a scoprire cos’altro possono imparare dal loro modello e dal plancton che studiano.
“Li abbiamo scelti come sistema modello per alcuni motivi”, ha affermato Christopher Klausmeier, professore della MSU Research Foundation presso la stazione biologica WK Kellogg. È anche membro di facoltà del Dipartimento di Biologia Vegetale, del Dipartimento di Biologia Integrativa e del programma di Ecologia, Evoluzione e Comportamento, o EEB, presso la MSU.
Uno dei motivi è che il plancton costituisce l’obiettivo principale della ricerca per il gruppo di ricerca guidato da Litchman e Klausmeier.
“Sono organismi relativamente semplici. Se qualcosa deve seguire le regole, il plancton è un buon candidato”, ha detto Klausmeier. “Ma sono anche importanti a livello globale. Sono responsabili di circa la metà della produzione primaria sulla Terra e sono la base della maggior parte delle reti alimentari acquatiche.”
I produttori primari utilizzano processi biochimici come la fotosintesi per trasformare il carbonio e le sostanze nutritive grezze della Terra in composti utili agli organismi stessi e ai loro predatori. Ciò significa che il plancton è un ingranaggio fondamentale nel meccanismo naturale che fa circolare gli elementi essenziali per la vita del pianeta, tra cui carbonio, azoto e ossigeno.
Avere questo modello in scala che descrive il plancton può quindi essere utile per comprendere meglio questi processi chiave, nonché se e come questi stanno cambiando con il clima del pianeta.
Il team non ha incluso in questo studio variabili associate al clima come la temperatura, ma i ricercatori stanno già pianificando i prossimi passi in quella direzione.
“Gli effetti del riscaldamento globale potrebbero alterare i processi fisiologici di livello inferiore”, ha affermato Litchman. “Potremmo quindi utilizzare questo quadro per vedere come tali effetti si estendono a diversi livelli di organizzazione.”
Semplicità strabiliante
Wickman non è sempre stato un ecologista del plancton. La sua laurea era in fisica, ma è passato all’ecologia durante i suoi studi di dottorato in Svezia prima di unirsi al laboratorio Klausmeier-Litchman nel 2020.
Il team ha affermato che il suo background in fisica ha plasmato il suo approccio allo sviluppo di questo modello, che Litchman ha descritto come “bellissimo: eliminando tutto tranne i processi essenziali”.
Per iniziare, Wickman si è basato su teorie fondamentali che descrivono il suo sistema di interessi. Solo che in questo caso il sistema non era, diciamo, particelle quantomeccaniche. Si trattava di minuscoli organismi collegati da una semplice rete alimentare.
All’interno di questa rete, il fitoplancton è il produttore primario e lo zooplancton è il suo predatore.
“Beh, in realtà sono dei pascolatori”, ha detto Wickman dello zooplancton. “Di solito non chiamiamo le mucche predatrici dell’erba.”
Per apprezzare appieno il funzionamento di questa importante relazione e le sue implicazioni globali, i ricercatori l’hanno scomposta nelle sue componenti guidate dall’ecologia e dall’evoluzione.
Ad esempio, considerazioni microscopiche come la dimensione di un fitoplancton influenzano la sua capacità di competere per i nutrienti, che a loro volta influenzano la grandezza delle cellule e la probabilità che diventino cibo per lo zooplancton.
Questi fattori microscopici sono quindi collegati a variabili macroscopiche, inclusa la distribuzione dei nutrienti e il modo in cui il plancton densamente o scarsamente diverso popola i loro ambienti.
Negli ultimi decenni, gli scienziati hanno formulato formule matematiche che descrivono importanti relazioni individualmente su scala micro e macro. I tentativi di colmare il divario, tuttavia, hanno lasciato i ricercatori con il fiato sospeso, ha detto Wickman.
Questo perché i precedenti tentativi di stabilire tale connessione hanno dovuto scendere a compromessi. Alcuni modelli precedenti hanno scelto la semplicità a scapito della precisione e del realismo. Altri hanno affrontato quella complessità con la forza computazionale bruta, rendendoli meno accessibili e più difficili da lavorare.
“Il nostro modello include reali meccanismi ecologici ed evolutivi ma è abbastanza semplice da usare”, ha detto Wickman.
Il lavoro iniziò come pura teoria, ma Litchman suggerì che sarebbe stato possibile testare le sue previsioni utilizzando i dati esistenti. “Quando ho visto quanto bene il modello corrispondeva alle osservazioni, i miei occhi sono strabuzzati”, ha detto.
Con il sostegno della US National Science Foundation, o NSF, il team ha lavorato su questo problema per diversi anni e aveva pubblicato un precedente articolo in cui sviluppava le tecniche di modellazione ecoevolutiva su cui facevano affidamento.
Ora, il team ha dimostrato il potenziale del proprio modello unendolo ai dati del mondo reale.
“La rivelazione che i modelli che emergono su scala macroecologica possono essere spiegati dalle proprietà dei singoli organismi su scala microecologica è tanto avvincente quanto elegante”, ha affermato Steve Dudgeon, direttore del programma presso la Direzione per le scienze biologiche della NSF, che ha contribuito a finanziare il lavoro.
“Lo studio fornisce nuove strade di ricerca che potrebbero migliorare la previsione di come gli ecosistemi e le relazioni tra gli organismi in essi contenuti cambieranno con le dinamiche ecoevolutive che interagiscono nei cambiamenti degli ambienti.”
A causa della variazione naturale dei sistemi biologici, il modello e i suoi risultati possono sembrare confusi a qualcuno abituato alla precisione della fisica, ma Wickman li vede con entusiasmo.
“In realtà abbiamo raggiunto una precisione abbastanza buona per l’ecologia”, ha detto. “Potremmo non avere lo stesso livello di eleganza teorica della fisica, ma ciò significa semplicemente che abbiamo molto più territorio da esplorare.”
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
