Mudanças climáticas e o risco de extinção: um futuro nebuloso?

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1 Mudanças climáticas e o risco de extinção: um futuro nebuloso? Alrenice Cunha de Castro a,b,c*, Joseph Harari b,c, João Dias de Toledo Arruda-Neto a,d a - Instituto de Física (IFUSP), Universidade de São Paulo (USP), Rua do Matão, Travessa R, 187, São Paulo-Brasil. acc@if.usp.br b - Instituto Oceanográfico (IOUSP), Universidade de São Paulo, Praça do Oceanográfico, 191, São Paulo, Brasil. c - Interunidades em Ciência Ambeintal (PROCAM), Av. Prof. Luciano Gualberto, 1289, São Paulo, Brasil. d - Faculdade de Engenharia São Paulo (FESP), Av. Nove de Julho, 5520, São Paulo- Brasil. * Autor de correspondencia: Tel acc@if.usp.br PALAVRAS CHAVE: biodiversidade, aquecimento, potência. ABSTRACT A recent model based on the Watson s power law for the species-area relationship predicts that full global warming, projected to the year 2050, could cause the disappearance of about one-quarter of the existing species. Here we work out the combination of two of the few unanimities in ecology: Taylor s and Watson s power laws, where the former relates species variability with their mean abundance and the later deals with the necessary area to survive. Using this approach we investigate how severe global warming would affect not 1

2 only the number but also the diversity of the surviving species, besides giving indications about how the post-disaster fate of the remaining species (extinction or recovery) would depend on the rate of speciation. RESUMO Um modelo recente, baseado na lei de potência de Watson para a relação espécie-área, prevê que a fase mais crítica do aquecimento global, projetada para o ano 2050, poderá provocar o desaparecimento de cerca de um quarto das espécies existentes no ecossistema. Neste trabalho visamos apresentar a fundamentação teórica do modelo onde combinamos duas das poucas leis exatas em ecologia: as leis de potência de Taylor e Watson, em que a primeira relaciona a variabilidade de espécies com sua abundância média. Utilizando uma abordagem computacional, procura-se investigar o modo como o aquecimento global afetaria não só o número, mas a diversidade das espécies sobreviventes, além de dar indicações sobre a forma como as espécies restantes num cenário pós-fase crítica do aquecimento global (extinção ou recuperação) irá depender da taxa de especiação. INTRODUÇÃO Dentre os muitos problemas ecológicos atuais podemos destacar a manutenção da biodiversidade no planeta, a viabilidade de uma população, a diversidade de espécies e estabilidade, bem como sua adaptabilidade às mudanças globais, etc. O estudo dessas questões entretanto, exige uma profunda compreensão da relação entre a variabilidade da população, sua abundância média e a área dos habitats considerados como climaticamente adequados. 2

3 Ecossistemas são em geral bastante complexos e isso gera um obstáculo para uma descrição precisa das interações que ocorrem entre seus fatores bióticos e abióticos. A observação de limitações na descrição dos padrões presentes neste tipo de sistema natural motivou o desenvolvimento de novos modelos matemáticos e aproximações numéricas (simulações que utilizam programas de computador); e, consequentemente, geraram uma gama de estudos acerca destas interações. A complexidade refletida nas diversas escalas de espaço-tempo que estes sistemas exibem é analisada sob o ponto de vista da chamada ciência não-linear. Isso representa uma ruptura no tratamento e no desenvolvimento de ferramentas para o estudo dos sistemas naturais (A. Rapisarda, 2007). Um exemplo da manifestação desta não-linearidade está nos padrões observados nas relações espécie-área. Portanto, compreender os fatores que controlam a diversidade num habitat é uma das principais preocupações para ecologistas e ambientalistas na atualidade. Para tanto, se faz necessário entender como estes fatores operam em suas diferentes escalas (Kilpatrick et al. 2003). Desde meados do século passado, a taxa de extinção de espécies tem sido fortemente acelerada por diversas atividades humanas. As atuais taxas de extinção são estimadas como sendo de cem a mil vezes superiores às taxas anteriores a essas atividades (Pimm et al., 1995); ademais, se considera que de 5% a 20% (pecentuais) das espécies, em muitos grupos de organismos, já desapareceram (Lawton e maioand May, 1995). Além das espécies já extintas, devemos estar preocupados também com aquelas à beira da extinção: as chamadas espécies raras. De fato, a estimativa da proporção de espécies raras em determinados habitats é um grande problema para os ecologistas na atualidade. Recentemente, o painel intergovernamental de mudanças climáticas, durante sua avaliação de grupo (IPCC, 2007) divulgou alguns resultados referentes aos diversos 3

4 cenários climáticos ligados ao fenômeno do aquecimento global. Modelos matemáticos de simulação sugerem que o clima do planeta poderá ser alterado de forma significativa neste século, caso as emissões dos gases do efeito estufa continuem a crescer. Grande parte das espécies que formam a biodiversidade está vulnerável às mudanças climáticas, e muitas possuem menores possibilidades de adaptação. Um dos principais problemas relativos à dinâmica do aquecimento global é como a adaptabilidade destas espécies será afetada por este fenômeno. Hoje, porém, a preocupação devido ao aquecimento global torna a temperatura um fator proeminente, que pode ser operado em quase todas as escalas de interação (Thomas et al. 2004). O desaparecimento de espécies a partir da destruição dos habitats parece ser um problema que se perpetua e cada vez mais se agrava, sendo atualmente o foco de preocupação de muitos ecologistas. Além disso, o aquecimento global pode mudar a distribuição e a abundância de espécies vegetais e animais, interferindo na produção primária da cadeia alimentar. Mas existem ainda controvérsias se este fenômeno poderá sofrer algum tipo de controle. Como salientado em alguns estudos, ainda é pouco claro o modo e a dinâmica de como se processa essa grande ameaça à biodiversidade (Pounds e Puschendorf 2004). No entanto, um recente estudo de modelagem trouxe alguns resultados alarmantes: o aquecimento global pleno, projetado para o ano 2050, poderia provocar o desaparecimento de cerca de um quarto das espécies existentes (Thomas et al. 2004). MATERIAIS E MÉTODOS Neste trabalho, propomos um caminho alternativo ao estudo de alguns cenários relativos a um pós-desastre ecológico, através do fornecimento de uma interpretação entrelaçada entre duas das poucas leis exatas em ecologia: 4

5 a)lei de potência de Taylor (espécie-abundância), b)de potência de Watson (espécie-área). Dentro desta abordagem (Thomas et al. 2004), pode-se estimar a diversidade de espécies sobreviventes num hipotético cenário de desastre ecológico previsto para o ano 2050 (onde se prevê a fase mais crítica do fenômeno). Aqui não consideramos um mecanismo específico de extinção; entretanto, seja qual for o mecanismo, o fato é que a variabilidade de uma espécie pode conduzir sua população mais ou menos rapidamente em direção à extinção ou à recuperação após uma catástrofe ecológica. Neste sentido, construímos um conjunto de possibilidades, chamado de espaço de fase, que pode ser variável de acordo com as informações fornecidas ao modelo matemático. Assim, dadas as coordenadas (área e espécie) é possível inferir as chances e possibilidades mais prováveis de um ecossistema dentro de um cenário pós-fase crítica do aquecimento global. Lei de potência de Taylor Há vinte e cinco anos, Taylor e colaboradores (Taylor et al. 1978, Taylor e Woiwod 1980, 1982) propuseram a chamada lei de potência de Taylor, com base na análise de 156 conjuntos de dados colhidos numa ampla gama de espécies, com amostras nas mais diversas escalas e habitats (de invertebrados sobre a superfície de uma montanha até a população humana nos Estados Unidos). O modelo matemático utilizado assumiu que a variância espacial (V) é proporcional a uma potência da densidade populacional média (µ): V=αµ β (1) onde α é um parâmetro de proporcionalidade e β foi considerado como um "índice de agregação", que tem um valor característico entre 1 e 2 para cada espécie, que reflete o 5

6 equilíbrio entre as tendências opostas comportamentais de avancar no sentido de distanciarse dos centros de densidade populacional. Desde então, a relação entre V e µtem sido estabelecida para mais de 400 espécies em diversos grupos taxonômicos, que vão desde protistas até vertebrados. A chamada variabilidade per capita (p) é uma quantidade muito mais informativa, definida como, p = dv/dµ = αβµ β-1. (2) Isto é mostrado na função p = p(µ) para ß = 1.2, 1.5 e 2 (Figura 1). Fig.1 A variabilidade per capita p (Eq. 2) como função da abundância média µ, para alguns valores de β. Note-se que para β = 2 (quando existem interações competitivas entre as espécies) p é uma função linear de µ. Lei de potência de Watson 6

7 H.C.Watson demonstrou a relação espécie-área (que atualmente é uma lei de potência empírica bem estabelecida), em 1859, para a flora vascular britânica (Maynard- Smith, J. 1978). Trata-se de uma relação que descreve a forma como o número de espécies (N) está relacionado com a área (A); N = aa b, (3) onde a e b são constantes. A partir da lei de potência de Watson, podemos calcular a quantidade de espécies que desaparecem ou ficam ameaçadas quando o espaço disponível para elas é reduzido pela destruição dos habitats (Brooks et al. 1997, 1999). Extinções decorrentes da área, como previsto pela eq.3, aplicam-se independentemente do fato que causa a perda da distribuição, seja pela destruição dos habitats ou por instabilidades climáticas (Thomas et al. 2004). Uma quantidade útil, dentro do enfoque deste estudo, é o número de espécies por unidade de área, ou, a densidade de espécies (SD), definida como: SD = dn/da = aba b-1. (4) Adotando b = 0,25 como proposto no estudo de Thomas et al. (2004) obteremos SD ~ A- 0,75. Este resultado é bastante revelador, uma vez que indica que a densidade das espécies diminui abruptamente com o aumento da área, um resultado que reflete a elevada nãolinearidade da lei de potência de Watson. Em uma hipotética comunidade linear (Figura 2), temos b = 1 e, consequentemente, uma DP = (constante). Destruição de habitat, no entanto pode interferir, por exemplo, alterando a gama de interações positivas e negativas entre as espécies, resultando em diferentes relações (predador-presa, mutualismo, etc) Na verdade, sistemas vivos têm capacidade de regular uma gama de interações entre os seus elementos em resposta a estímulos ambientais (fatores abióticos e bióticos) (Ridley 1996). 7

8 4 Watson's law rate SD ( species / mi 2 ) b=1 b=0.5 b= A ( mi 2 ) Fig.2 A densidade das espécies diminui abruptamente com o aumento da área, resultado da elevada não-linearidade da lei de potência de Watson. Assume-se b = 0,25 como proposto no estudo de Thomas et al. (2004). Kilpatrick e Ives (2003) usaram modelos analíticos e de simulação estocástica, e demonstraram como interações negativas entre as espécies numa comunidade poderiam produzir declínios para interações positivas, ou seja, quanto maior o número de interações entre espécies numa mesma área, sua abundância média pode aumentar ou diminuir em função do número de relações que estas estabelecem entre si. Por conseguinte, a dinâmica das populações de espécies só pode ser entendida em termos de interações destas espécies dentro da uma mesma comunidade ecológica. Com base neste modelo, especulamos como populações periféricas, com número amplo de espécies, poderiam ser mais variáveis do que um único núcleo de populações, pois as interações negativas são mais prováveis de ocorrer na última em relação à anterior. O modelo elaborado por Thomas et al. (2004) está fortemente baseado na relação espécies- 8

9 área de Watson (eq. 3), quando usado b = 0,25, dado o seu sucesso na previsão das proporções de espécies ameaçadas. A lógica deste modelo é que a abordagem das alterações climáticas induzidas pelo aumento de temperatura são diretamente responsáveis pela redução de áreas nos habitats; em consequência, tem-se uma redução no número de espécies. Entretanto, salienta-se que a redução das áreas (habitat) não só leva à extinção das espécies, mas é também o processo que conduz às alterações na diversidade de espécies sobreviventes. RESULTADOS A modelagem matemática da dinâmica populacional de um ecossistema é utilizada quando se visa principalmente a identificação das seguintes categorias de interação (Maynard-Smith 1978): aquelas que ocorrem entre os componentes do sistema e a sua dinâmica interna. Entre o sistema como um todo e o meio externo. Neste último caso, a interação realizada foi através da interface (condições de fronteira). O processo gradual de aumento da temperatura é detectado, inicialmente, através da interface (fronteira) do sistema e, em seguida, se estabeleceu um gradiente de temperatura em todo o sistema de área, interferindo, por último, na dinâmica interna. Na primeira categoria, os seguintes processos poderão estar presentes: (a)taxas de reprodução e morte impulsionada por peculiaridades do habitat; (b)processos regulamentares, responsáveis pela coordenação das atividades das populações que vivem dentro de uma mesma área. 9

10 (c)processos de concorrência, especialmente quando a quantidade de alimentos disponíveis é limitada; (d)processos de comunicação. Exceto para o processo de reprodução e morte, a destruição do habitat pode interferir nos demais processos. A figura abaixo representa estrutura do modelo matemático. Fig.3 Bloco esquemático que mostra a sequencia de eventos discutidos neste trabalho, que se inicia com o aumento da temperatura e torna complexo o modo e a dinâmica da relação entre área-espécies. O tamanho da área do habitat é crucial na manutenção da espécie e na intensidade e extensão do processo de extinção, sendo que a quantificação desta circunstância é fornecida pela relação espécie-área de Watson (eq. 3). Na verdade, a análise das curvas espécie-área tem produzido claras evidências de que, se temos uma amostra de maior (menor) área, 10

11 encontraremos mais (menos) espécies (Rosenzweig 1995). A lei de Watson lida com o número total de espécies que vivem em uma determinada área do habitat (Figura 4). Se, por qualquer razão, a área do habitat é reduzida, as espécies poderão enfrentar um processo de extinção. Assim, as espécies sobreviventes devem adaptar-se a uma área menor. Enfatizamos também que enquanto a lei de Watson gera um prognóstico do montante das espécies marcadas para morrer (extintas), a lei de Taylor diz como os sobreviventes serão adaptados a novas condições. 0,8 V i * >V i (2) s i 0,6 0,4 0,2 FULL GLOBAL DISASTER b b (1) a a (3) V i * <V i m n (a.u.) 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 r t > t 2 t 2 c c t 1 Fig.4 Quantificação das relações espécie-área das leis de Taylor e Watson. Cada curva ajusta-se dentro de um espaço de fase onde os índices indicam o maior (com menor) risco para adaptabilidade e/ou extinção. É importante ressaltar que uma área de habitat variável é também importante na promoção da diversidade, uma vez que a variabilidade das espécies é uma função de sua abundância média. Por isso, a área habitat é um ingrediente-chave em ambas as leis. 11

12 Emerson e Kolm (2005), analisando dados de plantas e artrópodes do arquipélago vulcânico das Ilhas Canárias, encontraram uma relação positiva entre diversidade de espécies e taxa de diversificação. Eles demonstraram que mesmo após o controle de várias características físicas importantes da ilha, a diversificação está fortemente relacionada com o número de espécies. Tudo isto indica, portanto, que num ecossistema em regime de crescente especiação (que pode ser promovido pela alteração de um fator abiótico) a recuperação de um menor número de espécies é acrescida de uma taxa de diversificação (Tokeshi 1999). Fig.5 Um ecossistema em regime de crescente especiação (que pode ser promovido pela alteração de um fator abiótico) e sua recuperação para um menor número de espécies quando é acrescida de uma taxa de diversificação. A diversidade só é possível quando existe a conservação efetiva de ambas taxas, resiliência e interconexão. DISCUSSÃO 12

13 Portanto, concluí-se que inconvenientes associados à diminuição da diversificação, nos fazem recordar que a crescente diversidade de espécies leva a comunidade a uma maior complexidade estrutural, o que tem sido apontado como uma possível força motriz evolutiva que conduz à especiação, tornando evidente que só com a diversidade seria possível conseguir a conservação efetiva de ambas, resiliência e interconexão (Figura 5). Recentes trabalhos teóricos sugerem que o risco de extinções secundárias, por exemplo, diminui com o aumento da biodiversidade (medido como sendo a média do número de espécies por grupo funcional) no modelo de cadeias (ou teias) alimentares (Borrvall et al. 2000; ver também Pimm 1979,1980). Há experiências que sugerem que o aumento do número de espécies nos diferentes grupos funcionais aumenta também a confiabilidade funcional da comunidade (Tilman et al. 1996, 1997). CONCLUSÕES 1- A dinâmica entre espécies num mesmo habitat produz um conjunto de possibilidades adptativas quando há maior diversidade entre as espécies. 2- O risco de extincão deve ser levado em conta quando as relacões entre fatores bióticos e abióticos atingem seu ponto crítico. Entretanto, ressaltamos que é possível estimar que, num grupo de espécies, quais terão maiores chances de adaptabilidade quando inseridas num contexto crítico. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Borrvall, C., Ebenman, R. and Jonsson, T Biodiversity lessens risk of cascading extinction in model food webs. - Ecology Letters 3:

14 2. Brooks, T. M., Pimm, S. L. and Collar, N. J Deforestation predicts the number of threatened birds in insular Southeast Asia. - Conservation Biology 11: Brooks, T. M., Pimm, S. L. and Oyugi, J. O Time lag between deforestation and bird extinction in tropical forest fragments. - Conservation Biology 13: Emerson, B. C. and Kolm, N Species diversity can drive speciation. - Nature 434: Kilpatrick, A. M. and Ives, A. R Species interactions can explain Taylor s power law for ecological time series. - Nature 422: Lawton, J.H. and May, R.M Extinction rates. - Oxford University Press. 7. Maynard-Smith, J Models in ecology. - Cambridge University Press. 8. Pimm, S.L Complexity and stability: another look at MacArthur s original hypothesis. - Oikos 33: Pounds, J. A. and Puschendorf, R Clouded futures. - Nature 427: Rapisarda, A In Mini-curso de mecânica estatística não-extensiva, CBPF, Rio de Janeiro, Ridley, M The origins of virtue. Penguin Books Ltd., London. 12. Rosenzweig, M. L Species Diversity in Space and Time - Cambridge Univ. Press. 13. Taylor, L. R., Woiwod, I.P. and Perry, J.N The density dependence of spatial behavior and the rarity of randomness. - Journal of Animal Ecology 47: Taylor, L. R. and Woiwod, I.P Temporal stability as a density-dependent species characteristic. - Journal of Animal Ecology 49:

15 15. Taylor, L. R. and Woiwod, I.P Comparative synoptic dynamics: relationships between interspecific and intraspecific spatial and temporal variance-mean population parameters. - Journal of Animal Ecology 51: Thomas, C. D. et al Extinction risk from climate change. - Nature 427: Tilman, D., Wedin, D. and Knops, J Productivity and sustainability influenced by biodiversity in grassland ecosystems. - Nature 379: Tilman, D., Knops, J., Wedin, D., Reich, P., Ritchie, M. And Siemann, E The influence of functional diversity and composition on ecosystems processes. - Science 277: Tokeshi, M Coexistence: Ecological and Evolutionary Perspectives. Blackwell Science, Oxford. AGRADECIMENTOS Este trabalho foi apoiado por bolsa da CAPES. 15