retorna
  :: Artigo selecionado
  Caos no laboratório
09/02/2012
atualizado em: 14/02/2012
Depois de 30 anos da descoberta da teoria do caos em dinâmicas populacionais teóricas, em 2005 foi demonstrado experimentamemente o determinante que origina regimes caóticos numa rede trófica de 1-predador-2-presas.

Área(s) de Atuação que o Presente Artigo trata
Biologia
Meio Ambiente e Biodiversidade
Biomonitoramento
Diagnóstico, Controle e Monitoramento Ambiental


Caos no laboratório

William Roberto Luiz Silva Pereira

Acessor técnico no Instituto I2S – Inteligência para Sustentabilidade

                Não, não foi nenhum acidente! Pelo contrário, esse é o anúncio de que realmente existem dinâmicas populacionais caóticas. Esse resultado foi publicado em 2005 por Lutz Becks, Frank M. Hilker, Horst Malchow, Klaus Jurgens e Harmut Arndt no artigo entitulado Experimental demonstration of chaos in a microbial food web.

                Sistemas caóticos já tinham sido demonstrados teoricamente por Robert M. May em 1975 no Simple mathematical models with very complicated dynamics e testado em dados derivados de populações insetos inseridos em agrossistemas e controlados em laboratório no artigo Patterns of Dynamics Behaviour in Single-Species Populations de Michael Hassell, John Lawton e Robert M. May. Nesse último foi demonstrado que somente as populações mantidas em laboratório apresentaram parâmetros populacionais que induziam a dinâmicas regidas por ciclos limites estáveis, instáveis e caos. Esse estudo estava concentrado em populações de uma única espécie e as dinâmicas eram encontradas no modelo teórico (equação de Hassell). Uma equação não-linear era capaz de gerar dinâmicas populacionais complexas e às vezes caóticas, como foi o caso da mosca-varejeira.

                Porém demorou exatos 30 anos para que fosse provado experimentalmente que populações de microorganismos inseridos num micro-ambiente controlado poderiam gerar dinâmicas caóticas. Esse resultado é valioso. As dinâmicas populacionais só podem ter sua natureza desvendada em experimentos controlados. É muito difícil (e quase impossível) controlar as variáveis abióticas num experimento de campo e o pesquisador não sabe o que exatamente o que define a dinâmica: se são os mecanismos populacionais ou os fatores ambientais. Mas em laboratório, usando micro-organismos inseridos num micro-ambiente controlado, fica mais fácil controlar a população e o ambiente.

                Foi isso o que Becks et al. fizeram. O ambiente foi controlado através das taxas de diluição de um quimiostato (taxa de diluição é o inverso do tempo de retenção médio da célula no interior do quimiostato). Nesse micro-ambiente o fornecimento de nutrientes limita o crescimento das bactérias a uma taxa constante, fazendo com que a densidade celular e a taxa de crescimento se ajustem a esse fornecimento. O princípio do quimiostato é o mesmo do principio da capacidade-suporte K. Uma população entra em equilíbrio em K quando a disponibilidade de recursos é suficiente para suportar um contingente populacional de K indivíduos.

                As bactérias se utilizam do substrato químico (uma substância química particular, seja glicose, triptofano, etc.) para sobreviver e tal substrato é fornecido no quimiostato.

                No experimento foram acrescentados as bactérias Pedobacter sp. e Brevundimonas sp. e o predador ciliado unicelular Tetrahymena pyriformis, usado em modelos de pesquisas biomédicas, tendo contribuído em diversos avanços na elucidação do ciclo celular, da proteína dineína, na descoberta do lisossomo e do peroxissomo, na elucidação molecular do enzima telomerase, e muito mais.

                Os autores “calibraram” o experimento submetendo as três espécies a uma taxa de diluição alta (D=0,90/d). Brevundimonas morreu no sexto dia e Tetrahymena junto ao Pedobacter se manteram estáveis (fig 1a). Se observarmos o gráfico, essas duas assumiram um crescimento sigmoidal, respeitando o conceito de equilíbrio estável e nos fazendo remeter aos experimentos de Gause de 1934 no seu The Struggle for Existence.  As três populações se mantiveram estáveis quando a taxa de diluição foi levemente diminuída (fig. 1b).

                Porém o ambiente criado pelos autores consistiu de um predador e duas presas, uma cadeia trófica de três espécies. O ciclo presa-predador lince-lebre é o marco-zero das pesquisas sobre interações competitivas, pois tanto o modelo teórico quanto os dados experimentais mostraram haver um ciclo tanto para o predador quanto para a presa, sendo que o ciclo do predador é levemente atrasado ao ciclo da presa. Não há mais dúvidas que esse ciclo realmente existe, mas há pesquisadores que ainda duvidam se os dados coletados pela Hudson Bay Company foram “ajustados” para revelar tais ciclos. Síndrome da corrupção!

                Isso foi demonstrado experimentalmente para a cadeia Tetrahymena-Pedobacter-Brevundimonas. Na figura 1h, i surgiram os ciclos quando a taxa de diluição foi a mais baixa (D=0,45/dia). Os autores seguiram Robert May classificando esses ciclos de ciclos estáveis. São ciclos periódicos onde as amplitudes são praticamente as mesmas. Porém precisou um certo tempo de ajuste populacional para a cadeia se equilibrar ciclicamente.

                O terceiro passo do experimento foi começar com uma taxa de diluição baixa (D=0,5/dia). As populações não equilibraram mas no trigésimo dia a taxa foi aumentada para D=0,7/dia e as três populações se equilibraram (fig. 1c.)

                Esses resultados até agora revelaram que a dinâmica é determinada pela imposição das condições ambientais no micro-ambiente. Como é uma rede trófica, o meio disponibiliza alimentos para as bactérias. Se a taxa de diluição é alta, o substrato é abundante, podendo sustentar Pedobacter e Brevundimonas em altas densidades e criando condições de fartura para Tetrahymena. Em baixas diluições, o cenário muda. As três espécies assumem ciclos de cinco dias e cada uma possui ciclos em períodos alternados: quando há um pico de Tetrahymena, há uma queda de Pedobacter, uma correlação negativa; o pico de Brevundimonas ocorre no período de aumento de Tetrahymena e no período de baixa de Pedobacter. São ciclos perfeitos onde provavelemten os mecanismos de predação surgiram em função das condições fornecidas pelo micro-ambiente. Os modelos teóricos de Lotka-Volterra e suas extensões (MacArthur-Rozensweig, etc.) permitem assumir isso.

                Tudo OK até agora, todas as regras ecológicas foram respeitadas e há discussão para a eternidade. Porém o que ocorre quando são impostas condições ambientais intermediárias?

                Submetidos a taxas de diluição D=0,50/d as cadeias assumiram dinâmicas cíclicas instáveis não periódicas (não sendo possível reconhecer a freqüência nem a amplitude exata dos ciclos. Na fig. 1d, e, f, g é fácil verificar a aperiodicidade. Esse resultado mostrou que existe uma fase de transição entre dinâmicas estáveis e dinâmicas cíclicas em função das taxas de diluição.

                Não satisfeitos eles provaram que para essas dinâmicas não-períodicas o que na verdade ocorreu foi caos através do que é conhecido na matemática como expoente de Lyapunov. Para as dinâmicas em 1d, e, f, g os valores do expoente foram positivos e para 1a, b, c, i, h o expoente foi negativo. Grande trabalho, ótimos resultados.

                Nesse sentido caos não é o que entendemos por bagunça, desordem. Caos “significa que sistemas guiados por certos tipos de leis perfeitamente ordenadas são capazes de se comportar de uma maneira aleatória e, desta forma, completamente imprevisível no longo prazo. Por outro lado, esse comportamento aleatório também apresenta um padrão de ordem “escondida” em um nível mais geral. O caos é a variedade individual criativa dentro de um padrão geral de similaridade”. Palavras de R. D. Stacey no The chaos frontier: creative strategic control foi business.

                Portanto o conceito de caos se aplicou perfeitamente no experimento dos pesquisadores.     Todas as leis ecológicas fundamentais foram presentes e dependendo das condições impostas no micro-ambiente, estabilidade, ciclo-limite e caos surgiam. E o surgimento do caos, ou seja, do comportamento imprevisível no longo prazo, na verdade é uma fase de transição entre a dinâmica estável e a dinâmica cíclica, dinâmicas esperadas numa rede trófica 1-predador-2-presas. Análises mais minuncionas levariam ao cálculo da taxa intrínseca de crescimento, do expoente de competição intra-específica, se a taxa relativa de crescimento é linear ao não linear em relação a densidade, ao cálculo da taxa de agarramento da presa, da taxa de mortalidade do predador,.., enfim, de todos os determinamentes populacionais do sistema.

                Perfeito! Mais um artigo que foi publicado na revista Nature, comprovando a Teoria do Caos aplicada a dinâmica populacional numa rede trófica. Passados 30 anos da descoberta de Robert May, não há dúvidas que sistemas caóticos realmente existem. E ficou claro que nesse experimento, um sistema presa-predador caótico surge numa fase de transição condicionada pelo micro-ambiente.

                Nos modelos e nos experimentos de uma única espécie as dinâmicas caóticas surgem em função de parâmetros populacionais críticos, que assumem valores muito altos (altas taxas de crescimento populacional e altas taxa de competição intra-específica) raros na natureza. Mas um avanço para a Teoria das Populações.               


Indique este Artigo enviando o Link:
http://www.crbiodigital.com.br/portal?txt=3877323331


Imagens / Fotos do Artigo 
  Dinâmica populacional do preda ...
  Imagens ilustrativas dos organ ...

 retorna

 

  :: Pesquisa Artigos
contenha a palavra 
Regional 
Nome do(a) Biólogo(a) 


pesquisar



Copyright 2007  -   contatocrbiodigital@crbiodigital.com.br  -   privacidade