Histéresis Ecológica

GEOGRAPHY

Histéresis Ecológica

Corresponding Member of the RAS A. M. Nikanorov and B. L. Sukhorukov 

Received February 29, 2008 

DOI: 10.1134/S1028334X08080229

   Es sabido que la histeresis (del griego, retraso, demora) es observada cuando el estado del cuerpo es determinado por las condiciones externas que existieron durante el periodo precedente, no solo en el momento de la observación [1]. Este fenómeno bajo diferentes impactos es bien estudiado. Sin embargo, era una consideración a priori que lo último no es típico de sístemas naturales complejos de multicomponentes. Al mismo tiempo, nuestro estudio permite la inferencia de que cambios en ecosistemas naturales ocurren a lo largo de una trajectoria similar al bucle (loop) de la histéresis. Por ejemplo, tales transiciones condicionales podrían ser observables  durante las transformaciones de los estados de los ecosistemas bajo un solo impacto antropogénico significativo que resulta en una distorsión del estado inicial.

   Estas transformaciones no son instantaneas debido a la estructura compleja y el funcionamiento del sistema. En la mayoría de los casos, la reacción del sistema está retrasada bajo condiciones externas cambiadas. En otras palabras, el sistema experimenta inercia relacionada a las transformaciones de sus procesos químicos, biológicos y físicos interrelacionados. Estas relaciones son multivalentes: el cambio significativo en las condiciones externas resulta en cambios sucesivos dentro del ecosistema, en adición a las transformaciones paralelas de sus procesos separados, los cuales requieren tiempo.

   Otra consecuencia importante, en adición delr etraso de la respuesta del ecosistema al impacto externo y distorsión del equilibrio ecológico,es la recurrecnia (o no recurrencia) del estado inicial. En el clásico entendimiento de histéresis, como el retraso en el cambio de algún parámetro físico que caracteriza el estado de la materia en comparación con el cambio en otra cantidad física que determina el impacto externo, un retorno al estado inicial, cuando el último es removido, es observado en muchos de los casos. En relación a los ecosistemas naturales, esta regularidad es manifestada solo en el caso de un único evento de impacto, el cual causó la destrucción la destrucción no irreversible del ecosistema. Si la carga -acá carga se refiere al impacto o "estrés" que el ecosistema sufre- es prolongada, el ecosistema pasa a través de varios estados sucesivos adapatados a tal impacto, no regresando al estado incial cuasi-estacionario (déjenos llamarlo como "bienestar ecológico") [2]. En algunas publicaciones especiales, la noción "estado convergente con el inicial" (es decir, cerca pero no idéntico) es usada.

   Hay muchos trabajos dedicados al estado de un ecosistema, cuando cambios cíclicos en la medida de parámetros particulares son observados. Nuestros estudios de cuerpo de agua demostraron [3-7] que la medición del espectro de coeficientes de brillo en ecosistemas de agua dulce revelan a veces, después del correspondiente procesamiento de datos, tres (o cuatro) así llamadas coordenadas generalizadas de la imagen óptica. Sus cambios temporales (trajectorias) permiten ser definidas tendencias en el desarrollo de procesos entre cuencas. Cualquier sección en el espacio cosntruida en estas coordenadas representa una plano con isopletas. Las trayectorias de cambios en la imagen óptica del ecosistema bajo impactos naturales o antropogénicos, en este último, representan, en este espacio, curvas frecuentemente cerradas en ecosistemas acuáticos, tanto naturales como modelos (mesocosmos) [6]. 

   Similares curvas cerradas (o casi cerradas) son obtenidas cuando un espacio similar es construido usando otros parámetros de los estados de los ecosistemas, los cuales pueden ser considerados como integrales; por ejemplo: la mineralización del agua, su pH, la producción, producción de clorofila a fitoplanctónica que caracteriza toda la comunidad planctónica, entre otros. Como es sabido, las curvas cerradas son obtenidas cunado dos procesos alternantes, plots (gráficos) de los cuales se tamizan en relación el uno con el otro, están en acción dentro de una comunidad. Estas curvas dos-dimensionales representan el caso general de las figuras de Lissajous y pueden ser caracterizadas por formas caprichosas. El circulo y el elipsoide son casos especiales de estas figuras.

   Tales trayectorias en el espacio construidas usando dos variables (parámetro químicos, biológicos o ambos, en ecosistemas acuáticos) son observados siempre cuando el equilibrio del ecosistema es distorsionado el último estado retorna subsecuentemente al estado inicial. Tal recuerrencia probablemente ocurre en cualquier ecosistema que conserven conexiones internas y permanezcan dentro de los límites de su tolerancia. [8, 10, 11]

   Esta inferencia es confirmada por los resultados de modelamientos ecológicos naturales de procesos entre cuencas y estudios de objetos naturales que difieren substancialmente entre ellos.

Figura 1 | Espacio de área de imágenes ópticas correspondiendo a los estados ecológicos de mesocosmos y Don River en coordenadas OK2 y OK1 de la imagen óptica. Las trayectorias de los cambio de las imágenes ópticas son mostradas por la curva continua. El área del "bienestar ecológico" es designado por X (estado cuasi-estacionario). (X1-4) son áreas intersectadas por la trayectoria de Don River durante la temporada primavera-verano. Cphyt y Csm : concentraciones de fitopláncton y materia mineral suspendida. [9]

   En experimentos con ecosistemas acuáticos artificiales (mesocosmos) nosotros estudiamos el comportamiento bajo estrés ecológico: los ecosistemas (mesocosmos) fueron sujetos a polución con compuestos de Cu y Hg. Los mesocosmos fueron organizados en el canal de Don River, el agua de los cuales sirvió como ecosistema parental. El espectro de brillo que asciende del agua fue registrado en el área visible.El coeficiente de brillo obtenido fue presentado en un vector n-dimensional (el coeficiente de brillo en n ondas), el cual fue transformado después en uno tridimensional sin pérdida de información. En el espacio de estas 3 coordenadas, OK1, OK2 y OK3, cada espectro es representado como un punto, cuyos cambios forman una trayectoria en la imagen óptica durante la restauración del ecosistema. Cada una de esas coordenadas es conectada con las concentraciones de compuestos del ecosistema, los cuales cambian la refracción del medio cuando la radiación es distribuida y reflejada, correspondientemente, cambios en el ecosistema [9].

   Las trayectorias de la imagen óptica forman la curva cerrada que inicia y termina en el área X. La figura 1 representa las trayectorias de las proyecciones OK1 y OK3. El periodo de restauración completa del ecosistema fue de 16 días. La comparación de las concentraciones medidas de los polutantes y las coordenadas de la imagen óptica revelan un desplazamiento de 6 días entre la máxima carga y la respuesta, es decir, la reacción del ecosistema al impacto fue retrasada.

   La figura 1 muestra también la trayectoria de cambios en la imagen óptica del ecosistema acuático de Don River bajo cambios en las condiciones externas. El ciclo completo fue de 150 días. Ambos experimentos revelan procesos cíclicos determinados por cambios periódicos en las coordenadas de los parámetros medidos de las imágenes ópticas incluidas. La figura 2 presenta la correlación entre los cambios en estos parámetros y la carga en los mesocosmos. La figura 3 muestra la correlación entre cada una de las coordenadas y la duración del experimento con mesocosmos. Se ve que las trayectorias de las coordenadas generalizadas de la imagen óptica comienzan y terminan en el área X, convergente con el estado inicial. El factor responsable en los cambios en las imágenes ópticas permanece desconocido, lo cual hace imposible proveer la trayectoria de cambios de la imagen óptica en el ecosistema natural de Don River, similar a la presentada en la figura 2. El impacto en el ecosistema natural es un proceso multifactorial; la principal influencia en los procesos entre cuencas ha sido presumiblemente proporcionada por cambios estacionales en la temperatura del agua y la iluminación del ecosistema fluvial. 

Figura 2 | Cambios en las coordenadas de la imagen óptica durante la restauración del estado del ecosistema en los mesocosmos 1 y 3 [3]

Figura 3 | Cambios en las coordenadas de la imagen óptica (OK1 y OK3) bajo cambios en la concentración de componentes de Cu y Hg en los mesocosmos 1 y 3, respectivamente. Los números cerca de las curvas indican días después de la introducción de contaminantes. Las trayectorias correspondientes a estados cuasiestacionarios de los ecosistemas comienzan y terminan en el área X correspondiente al área X de la Fig. 1.

   Otro ejemplo es proporcionado por la restauración de un ecosistema en un gran estanque de almacenamiento después de polución extrema. En septiembre de 1983, la fosa de desechos de la planta potásica de Stebnikov ubicada 500 km corriente arriba de Novodnestrovsk se abrió paso para formar una ola salida con más de dos metros de altura con contenido de sal (cloruros; sulfatos de K, Na y Mg; ácidos grasos) de aproximadamente 250g/dm3. Al final de septiembre, la parte principal de las sales (un millón de toneladas) fue depositado en la capa inferior del estanque de almacenamiento Novodnestrovsk, el cual tiene 70 km de largo. El espesor de la capa de solución salina cerca de la presa alcanzó los 8 m.

   El ecosistema del río y estanque de almacenamiento fueron sometidos a "estrés salino", que dio como resultado una distorsión completa del equilibrio químico-biológico de estas cuencas hidrográficas. La expedición del Instituto Hidroquímico realizó un monitoreo permanente del estado del ecosistema del estanque de almacenamiento del río Dniéster y Novodnestrovsk.
   Una descripción detallada de la crónica de estos eventos, escala de contaminación y restauración de todos los elementos del ecosistema (sedimentos del fondo, fauna bentónica, bacterio, fito y zooplancton) se da en [12]. Cabe señalar además que las observaciones anuales de control que se realizaron durante el período de 1984 a 1986 revelaron diferencias sustanciales en la restauración de la abundancia y la biomasa de los organismos bentónicos y planctónicos, la intensidad de la adaptación fotosintética y oscura, algunos elementos biogénicos y otros parámetros . Sin embargo, a fines de 1987, los principales parámetros químico-biológicos del ecosistema en el estanque de almacenamiento se restauraron completamente debido a los mecanismos de autorregulación, a pesar de los cambios en algunas características.

   Por lo tanto, la recurrencia observable de los ecosistemas al estado inicial de equilibrio dinámico con un retraso en su respuesta al impacto externo (natural o antropogénico) puede considerarse como histéresis ecológica.

   No hace falta decir que este fenómeno difiere en su determinación de la histéresis física. Esta diferencia consiste principalmente en la naturaleza del objeto de estudio. La histéresis ecológica es observable solo en ecosistemas naturales (o artificiales), que cumplen con los requisitos de la noción de "ecosistema"; es decir, retienen las conexiones del ecosistema: homeostasis.

   Es imposible discriminar en la histéresis ecológica cualquier factor individual que influya en el ecosistema y observar su estado fijo durante un largo período. Este proceso es dinámico. El ecosistema se caracteriza por el desarrollo continuo de procesos de sucesión: la sucesión autógena se superpone por la alogénica. Sin embargo, debido a la homeostasis (el principio universal de Le Chatelier-Broun es determinante), el ecosistema reduce la influencia de cualquier cambio externo (impacto) y regresa al estado de equilibrio dinámico. La consideración detallada de sucesiones de fito, zoo, y bacterioplancton y otros está más allá del alcance de este estudio.

   Se puede concluir que la noción de histéresis [1] como un "retraso temporal en la respuesta de un cuerpo a un impacto externo, el cual es observable cuando el estado de este cuerpo está determinado por las condiciones externas que existían durante el período precedente" es aplicable a procesos que ocurren en los ecosistemas acuáticos.

BIBLIOGRAFÍA

1. The Soviet Encyclopedic Glossary. Hysteresis (Sov. Entsiklopediya, Moscow, 1986) [in Russian]. 
2. V. A. Abakumov, in Problems of Ecological Monitoring and Modeling of Ecosystems (Gidrometeoizdat, Leningrad, 1979), vol. 2, pp. 34–47 [in Russian]. 
3. B. L. Sukhorukov, G. P. Garbuzov, and A. M. Nikanorov, Meteorol. i gidrologiya, No. 11, 5 (1997) 
4. B. L. Sukhorukov, G. P. Garbuzov, and A. M. Nikanorov, Water resources 27, 529, (2000) [Vodnye resursy 27, 579 (2000)]. 
5. G. P. Garbuzov, B. L. Sukhorukov, and A. M. Nikanorov, Doklady Earth Sciences 373A, 1047 (2000) [Dokl. Akad. Nauk 373, 688 (2000)]. 
6. B. L. Sukhorukov and A. M. Nikanorov, Doklady Earth Sciences 400, 132 (2005) [Dokl. Akad. Nauk 400, 378 (2005)]. 
7. A. M. Nikanorov, Scientific Principles of Water Quality Monitoring (Gidrometeoizdat, St. Petersburg, 2005) [in Russian]. 
8. N. F. Reimers, Ecology (Theory, Laws, Rules, Principles, and Hypotheses) (Rossiya molodaya, Moscow, 1994) [in Russian]. 
9. B. L. Sukhorukov and A. M. Nikanorov, Vestnik YUNTS RAN, No. 3, 73 (2005). 
10. Biological Cybernetics, Ed. by A.B. Kogan (Vysshaya shkola, Moscow, 1977) [in Russian]. 
11. E.P. Odum, Fundamentals of Ecology (W. B. Saunders Company, Philadelphia, 1953; Mir, Moscow, 1975). 
12. A. M. Nikanorov, V. A. Bryzgalo, L. S. Semenko, et al., Restoration of Freshwater Ecosystems after Strong Salt Pollution (Gidrometeoizdat, Leningrad, 1988) [in Russian].