La tesis doctoral de Ricardo Martínez se ha hecho en el IFISC (CSIC-UIB) y ha sido premiada con el Premio a la Investigación Montserrat Casas
Los patrones son formas que se crean y se repiten a menudo en la naturaleza. Granos de arena, formaciones rocosas, moléculas o células vivas pueden organizarse en patrones típicos y universales: espirales, puntos, rayas, hexágonos..., y por ejemplo los podemos encontrar en las rayas de las cebras, las franjas que se forman en la arena o algunas formaciones de nubes. Por otra parte, el estudio de problemas de investigación es de gran importancia para comprender muchos fenómenos como la replicación del ADN, las reacciones químicas o la formación de bandadas de animales. La tesis de Ricardo Martínez García, investigador del Instituto de Física Interdisciplinar y Sistemas Complejos (IFISC), estudia a través de la aplicación de técnicas de la física estadística del no equilibrio la formación de patrones de vegetación en sistemas en los que el agua es un actor que limita la aparición de nuevas plantas, y presenta modelos para el estudio del movimiento y comportamiento colectivo de los animales. Estudiando dos problemas tan diferentes desde el punto de vista de la física estadística pretende mostrar su potencia como herramienta interdisciplinar y, en particular, en la ecología.
La tesis la ha dirigido el doctor Cristóbal López, del IFISC, y se presentó el pasado 25 de junio ante un tribunal compuesto por los miembros siguientes: Dr. Damià Gomila (IFISC), Dr. Frederic Bartumeus (CEAB-CSIC), Dr. Emilio Hernández-García (IFISC), Dr. Els Heinsalu (NICPB-Estònia) y Dr. Vicenç Méndez (UAB).
La tesis se ha presentado con el título «Nonequilibrium Statistical Physics in Ecology: Vegetation patterns, Animal mobility and temporal fluctuations». Ricardo Martínez, que ha obtenido el premio Montserrat Casas en la categoría de Ciencias Experimentales y de la Salud, y la Ingeniería y la Arquitectura por este trabajo, continuará estudiando el efecto que la estructura espacial tiene en la evolución de diversos sistemas biológicos y ecológicos en el Departamento de Ecología y Biología Evolutiva de la Universidad de Princeton (EUA).
Patrones de vegetación para mejorar las estrategias de cultivo
En el caso de la vegetación se han estudiado las sabanas mésicas y los sistemas áridos. Las sabanas mésicas tienen una precipitación media anual intermedia, y los árboles coexisten con otros tipos de vegetación más baja (arbustos y hierbas), mientras que en los sistemas áridos las precipitaciones son más escasas y los patrones más regulares que en las sabanas mésicas. En el primer caso se describe la competición por recursos entre las plantas y cómo se adaptan a la presencia de incendios apuntando que incluso las acciones de muy corto alcance, como la protección de los árboles adultos en cuanto a los jóvenes contra el fuego, determina la aparición de un patrón de vegetación.
En el caso de los sistemas áridos se demuestra que es suficiente tener en cuenta solo la competición entre plantas para conseguir agua, y la formación de zonas de exclusión como mecanismo biológico responsable de la formación de patrones. Determinar las zonas de exclusión podría tener importantes implicaciones en el diseño de estrategias de cultivo que minimicen la competencia permitiendo una explotación óptima de los recursos hídricos, sobretodo en las regiones áridas. Además, los modelos propuestos siguen los resultados previos que permiten el uso de dichos patrones en forma de señales de alerta primeriza de la desertización en zonas áridas, hecho que permite el desarrollo de estrategias de conservación mediante la anticipación de la muerte de la vegetación.
Movimientos de animales en la investigación de recursos
La tesis presenta también un modelo de estudio de procesos de investigación en poblaciones cuyos miembros son capaces de compartir información comunicándose entre si. En particular, se aplica al movimiento y comportamiento colectivo de las gacelas de Mongolia. La población de esta especia ha padecido un enorme decrecimiento en los últimos años debido a la caza masiva y la pérdida y fragmentación de su hábitat provocadas por la acción humana. Conocer sus hábitos se vuelve esencial para decidir estrategias eficientes de conservación. Además, los resultados son potencialmente aplicables a otras especies de animales que migran y se comunican buscando recursos.
La tesis de Martínez constituye una de las primeras aproximaciones teóricas que abordan el efecto de las interacciones de los animales tienen en la duración de sus tareas diarias. La estepa es uno de los prados más grandes que quedan en el mundo, en el que la búsqueda de alimento que se encuentra disperso en diferentes áreas es una tarea compleja. La orografía permite que el sonido viaje a grandes distancias. Ello, junto con la fuerza de trato vocal de la gacela, permite que se puedan comunicar entre ellas a gran distancia. El modelo de la tesis predice que se producirá una búsqueda óptima de recursos cuando los animales envían información a escalas de longitud intermedia. Comunicaciones más largas que suponen la interacción de más individuos abruman a los exploradores con demasiada información, y las distancias cortas no proporcionan información suficiente como para acelerar la búsqueda de recursos.
El trabajo tiene por objetivo abrir nuevas líneas de investigación en la interrelación entre comunicación, búsqueda óptima y patrones de movilidad proponiendo una nueva estrategia de investigación colectiva que ofrece una amplia gama de posibles ámbitos de aplicación, incluso más allá del contexto ecológico. Algoritmos similares basados en el comportamiento animal colectivo se han implementado recientemente en colectividades de robots para afrontar diferentes problemas.
El futuro
El problema de la investigación de alimento y como ésta puede influir en los patrones de vegetación se deberán tratar en el futuro, abordando, por ejemplo, qué influencia podría tener el pasturaje en la distribución de la vegetación, y cómo la formación de grupos de animales podría modificar la forma de los patrones vegetales actuales o incluso determinar su destrucción. Por otra parte, el estudio como un flujo de información puede modificar los procesos de investigación colectivos, que se aborda en esta tesis, aunque está por explorar.
Ficha de la tesis doctoral
- Título: Nonequilibrium Statistical Physics in Ecology: Vegetation patterns, Animal mobility and temporal fluctuations
- Autor: Ricardo Martínez García
- Programa de doctorado: Física
- Departamento: Física
- Director: Cristóbal López Sánchez
Fecha de publicación: 09/07/2014