#Finsubito news dalla rete – Scienza, così la geometria degli alberi rivela le specie a rischio 

Non basta contare quanti alberi appartengono a una specie per stabilire se rischia di scomparire da una foresta: bisogna conoscere anche come sono distribuiti nello spazio e quali altre specie li circondano. E’ il risultato di una ricerca guidata da Davide Bernardi e Amos Maritan, del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Universita’ di Padova, che ha sviluppato un modello matematico capace di stimare il rischio che una specie venga progressivamente soppiantata dalle altre. Pubblicato sulla rivista Nature Ecology & Evolution, lo studio ha analizzato i censimenti di oltre mezzo milione di alberi appartenenti a piu’ di 500 specie in tre foreste di Panama, Malaysia e Stati Uniti. I risultati mostrano che, a parita’ di abbondanza, una specie distribuita in modo piu’ disomogeneo nello spazio tende a essere maggiormente protetta dalla competizione. La scoperta introduce un nuovo criterio per valutare la vulnerabilita’ delle specie e potrebbe contribuire a migliorare gli strumenti per la conservazione della biodiversita’. La ricerca nasce da un problema fondamentale dell’ecologia: capire perché alcune specie riescano a sopravvivere a lungo all’interno di un ecosistema, mentre altre vengono progressivamente eliminate dalla competizione per le risorse. Tradizionalmente, uno dei principali indicatori utilizzati per valutare la vulnerabilita’ di una specie e’ la sua abbondanza. Una popolazione composta da pochi individui viene generalmente considerata piu’ esposta rispetto a una numerosa. Tuttavia, questo criterio non e’ sufficiente a descrivere le dinamiche della competizione ecologica. Due specie presenti con lo stesso numero di individui possono infatti avere probabilita’ molto diverse di persistere nello stesso ambiente. “La rarita’ e’ un segnale importante, ma da sola non basta a dirci quanto una specie sia a rischio della cosiddetta esclusione competitiva, cioe’ rischi di essere soppiantata dalle altre fino a scomparire da quell’ambiente”, spiega Bernardi, primo autore dello studio e ricercatore all’Universita’ di Padova. “La stessa specie puo’ essere relativamente al sicuro in un ambiente e piu’ esposta in un altro, a seconda delle specie che la circondano e della loro distribuzione” aggiunge. La difficolta’ consiste nel fatto che gli ecosistemi naturali sono sistemi estremamente complessi, nei quali centinaia di specie interagiscono contemporaneamente. Per descrivere queste relazioni con i modelli tradizionali bisognerebbe conoscere la velocita’ di crescita e diminuzione di ciascuna popolazione, la sua capacita’ di diffusione e il modo in cui le diverse specie si ostacolano o si favoriscono.

Si tratta di informazioni difficili da raccogliere anche per un numero limitato di organismi e sostanzialmente impossibili da misurare direttamente per centinaia di specie presenti nello stesso ambiente. Per superare questo ostacolo, i ricercatori hanno utilizzato gli strumenti della fisica dei sistemi complessi, sviluppando un metodo che permette di ricostruire l’effetto complessivo delle interazioni ecologiche senza doverle misurare singolarmente. Il modello parte da informazioni osservabili, in particolare dal numero di individui e dalla loro distribuzione spaziale, per ricavare un indicatore della stabilità competitiva delle diverse specie. Gli autori lo hanno chiamato ‘bilancio competitivo’: una misura che sintetizza i fattori che favoriscono oppure ostacolano la permanenza di una specie all’interno della comunita’ ecologica. Attraverso questo indicatore e’ possibile stimare quanto una specie si trovi vicina alla soglia oltre la quale rischia, nel lungo periodo, di essere esclusa dalla competizione con le altre. Il metodo permette quindi di individuare una vulnerabilita’ che non emerge necessariamente dal semplice conteggio degli individui. Per verificare la validita’ della teoria, il gruppo ha utilizzato i censimenti completi degli alberi di tre foreste molto diverse tra loro: Barro Colorado Island, a Panama, la riserva di Pasoh, in Malaysia, e Michigan Big Woods, negli Stati Uniti. 

Nel complesso, i dati comprendono la posizione di oltre 500 mila alberi appartenenti a piu’ di 500 specie. La disponibilita’ di informazioni cosi’ dettagliate ha consentito di mettere alla prova le previsioni del modello su comunita’ ecologiche reali, caratterizzate da un elevato numero di specie e da distribuzioni spaziali differenti. I ricercatori hanno utilizzato i dati relativi a una parte di ciascuna foresta per elaborare le previsioni, confrontandole successivamente con quanto osservato nella parte restante. Secondo gli autori, il modello ha descritto con buona precisione i dati osservati, fornendo una verifica della capacita’ dell’indicatore di rappresentare le condizioni competitive delle specie. Il risultato piu’ importante riguarda il ruolo della distribuzione spaziale. A parità di abbondanza media, una specie i cui individui sono distribuiti in maniera piu’ disomogenea tende a essere maggiormente protetta dalla competizione rispetto a una specie presente in modo piu’ uniforme. Questo significa che la disposizione degli alberi puo’ contribuire alla persistenza di una popolazione anche quando il numero complessivo degli individui non cambia. La geometria della foresta diventa cosi’ una fonte di informazioni sulla stabilita’ dell’ecosistema, perche’ permette di cogliere gli effetti delle relazioni tra le specie.

“La domanda decisiva non e’ soltanto quanti individui restano, ma in quale rete di equilibri vivono“, osserva Maritan, docente al Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Universita’ di Padova e autore corrispondente dello studio. “La fisica dei sistemi complessi permette di trasformare questa rete, normalmente quasi impossibile da misurare, in un indicatore ricavabile dai dati. E’ un cambio di prospettiva: la vulnerabilita’ appartiene al sistema, non alla specie isolata”, sottolinea. Alla ricerca hanno collaborato, oltre all’Universita’ di Padova, il National Biodiversity Future Center, l’International Centre for Theoretical Physics di Trieste, l’Universita’ di Losanna, la Princeton University, la Fondazione CMCC e l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. Il nuovo modello non intende sostituire gli strumenti attualmente utilizzati per valutare lo stato di conservazione delle specie. La probabilità di scomparsa da un ecosistema dipende infatti anche da fattori che non sono descritti direttamente dal bilancio competitivo, come il cambiamento climatico, la distruzione degli habitat, gli eventi estremi e le fluttuazioni casuali delle popolazioni. Inoltre, il rischio di esclusione competitiva stimato dalla teoria riguarda la possibilita’ che una specie venga eliminata da una determinata comunita’ ecologica, non necessariamente la sua estinzione a livello globale. Il contributo del nuovo approccio consiste nella possibilità di aggiungere alle valutazioni tradizionali un indicatore delle relazioni competitive ricavato da dati relativamente accessibili. La teoria potrebbe rivelarsi utile anche per studiare come cambia la stabilita’ di una comunita’ quando viene sottoposta a una perturbazione o quando viene introdotta una specie aliena, valutando le possibili conseguenze sulle altre popolazioni. Per il momento, il metodo e’ stato verificato sui dati di comunita’ forestali, ma la sua struttura matematica potrebbe consentirne l’applicazione anche ad altri ecosistemi. Il gruppo di ricerca intende ora sperimentarlo sulle comunita’ batteriche, per verificare se lo stesso approccio possa descrivere le relazioni competitive tra organismi molto diversi dagli alberi. La prospettiva e’ quella di individuare principi generali capaci di spiegare la persistenza delle specie all’interno di sistemi biologici complessi, dalla foresta tropicale alle comunità microbiche. Lo studio suggerisce quindi che la biodiversita’ non dipenda soltanto dal numero degli organismi presenti, ma anche dal modo in cui questi occupano lo spazio e interagiscono tra loro. Una dimensione che la fisica puo’ contribuire a misurare e che potrebbe diventare importante per comprendere quali specie siano piu’ vulnerabili ai cambiamenti degli ecosistemi.