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Ecología de Comunidades Clase 7. Modelo neutral de
biodiversidad
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¿Qué es biodiversidad?
“Riqueza de especies y su abundancia relativa en el espacio y el tiempo” (Hubbell) La riqueza de especies sería el número total de especies en un lugar y tiempo determinado, mientras que la abundancia hace referencia a su rareza o dominancia
Mecanismos causanes de la diversidad de especies
estabilización
ecualización
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Predecir la variación y
persistencia de la
diversidad de especies
es una pregunta central
de la ecología
Hutchinson, 1959, Pacala & Tilman 1993, Gaston, 2003)
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Teorías de Metapoblaciones Modelo Fuente-Sumidero Modelo clásico
Teoría de Biogeografía de Islas
Teoría Neutra de Hubbell Provee una explicación que une procesos ecológicos y evolutivos
Modelos
Regionales o de Paisaje
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Dos Líneas en las Teorías de la Ecología de Comunidades
Teoría de Biogeografia de Islas (MacArthur and Wilson 1967)
Principio de Exclusión
Competitiva (Gause 1932, 1934)
Partición de Nichos,
Similaridades Limitadas (Hutchinson 1959, MacArthur 1972)
Reglas de Ensamble de
Comunidades (Diamond 1975)
Curvas Área-Especies (Gleason 1922, Preston 1948, 1962)
Teoría Neutra de Biodiversidad (Hubbell 2001)
Perspectiva Ensamble
de Nichos
(local)
Perspectiva Ensamble
Dispersión
(regional o paisaje)
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Dos alternativas en la forma de estudiar Comunidades
• Perspectiva Ensamble de Nichos – Comunidades: Solo algunas especies!
– Especies coexisten bajo estricto partición de nichos con recursos limitados
• Perspectiva Ensamble Dispersión
– La composición de especies de las Comunidades están cambiando constantemente
– Presencia de especies y abundancias es gobernada por procesos aleatorios: especiación, dispersión, deriva ecológica, y extinción
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Modelo Neutro de Comunidades
Libro de Steve Hubbell (2001):
“The unified neutral theory of biodiversity
and biogeography”
Una gran intento en desarrollar una teoría
general de Ensamble-Dispersión
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Modelo de Hubbell (2001) esta basado en:
La Teoría de Biogeografía de Islas
MacArthur y Wilson (1967)
Modelo Neutro de Comunidades
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MacArthur y Wilson
• El modelo de MacArthur y Wilson sólo considera la dinámica de las especies, nada dice sobre los individuos.
• Las tases de inmigración y de extinción se refieren a especies, no a individuos.
• Este modelo supone que todas las especies son idénticas en su aptitud o adecuación biológica (“fitness”) y en el efecto que tienen unas sobre otras.
• Las especies son equivalentes en términos ecológicos.
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Predicciones de la Teoría de Biogeografía de Islas
Equilibrio en la riqueza de especies (Ŝ)
Tasa de cambio de especies (T)
Relación Área-especies
• Áreas grandes tienen más especies
Efecto distancia o aislamiento
• Áreas aisladas tienen menos especies
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I λs
λs Número de nuevas especies llegando por unidad de tiempo
Número de especies extinguiéndose unidad de tiempo
Número de especies en continente
μs
E
P
S Numero de especies en una isla
T
μs
0 Ŝ
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Predicciones de la Teoría de Biogeografía de Islas
Equilibrio en la riqueza de especies (Ŝ)
Tasa de cambio de especies (T)
Relación Área-especies
• Áreas grandes tienen más especies
Efecto distancia o aislamiento
• Áreas aisladas tienen menos especies
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λs grande
λs Número de nuevas especies llegando por unidad de tiempo
Número de especies extinguiéndose unidad de tiempo
μs
P
S Numero de especies en una isla
μs grande
0 Ŝ grande
λs pequeña
Ŝ pequeña
μs pequeña
Efecto del tamaño del blanco
Efecto del tamaño de población
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Predicciones de la Teoría de Biogeografía de Islas
Equilibrio en la riqueza de especies (Ŝ)
Tasa de cambio de especies (T)
Relación Área-especies
• Áreas grandes tienen más especies
Efecto distancia o aislamiento
• Áreas aisladas tienen menos especies
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λs cerca
λs Número de nuevas especies llegando por unidad de tiempo
Número de especies extinguiéndose unidad de tiempo
μs
P
S Numero de especies en una isla
μs cerca
0 Ŝ cerca
λs lejos
Ŝ lejos
μs lejos
Menor distancia de dispersión
Efecto de rescate
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• Similaridades a MacArthur-Wilson
– Inmigración y extinción son de suma
importancia
– Neutralidad Fecundidad, sobrevivencia, dispersión,
competencia, habilidades son iguales en TODAS
las especies! No hay diferencias en los nichos!
• Diferencias con MacArthur-Wilson
– Incluye especiación (evolución de nuevas
especies)
Modelo Neutro de Comunidades
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Otras Suposiciones:
• Tasa de Mortalidad constantes
• Comunidad solo incluye un nivel trófico
• Sin depredación!
• El número de individuos en una
comunidad es constante
Modelo Neutro de Comunidades
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Cierto número de comunidades locales están compuestas por especies de un mismo gremio
ecológico. En cada comunidad local se producen perturbaciones que matan
un cierto número de individuos.
Los individuos se consideran iguales los unos a los otros en sus
características de mortalidad, fertilidad y dispersión.
La metacomunidad es dinámica ya que permite la extinción y la
aparición de nuevas especies.
Las comunidades locales siempre están sturadas de individuos.
Dinámica de suma cero.
Principales características de la
teoría neutral
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Densidad de individuos
debe ser constante en la
comunidad
– “juego suma-cero”
– Respaldado con datos:
densidad de árboles es
constante en bosques
Esto infiere que el espacio
es limitado y que las
especies compiten por
espacio
Modelo Neutro de Comunidades
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La Comunidad local…
Es un ensamble de individuos de
diferentes especies en una área
Comunidad
local Individuos
(viven y mueren
aleatoriamente)
Especie 1
Especie 2
Especie 3
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Una Metacomunidad…
“Un grupo de comunidades locales
conectadas por dispersión de una o mas
de las especies” (Wilson 1992, Leibold 2004)
Meta-
comunidad Comunidades
locales
Una metacomunidad puede ser un continente!
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Deriva Ecológica (Modelo de Movimiento Aleatorio)
-Cambios en la presencia y abundancia
de especies en la Metacomunidad es por
procesos estocásticos (aleatorios)
Puesto que la teoría está basada en procesos de
inmigración y extinción
Esta incorporación e nuevas especies (inmigración)
determinaría la diversidad y el número de especies
abundantes y raras, mientras que las diferencias o
similitudes entre especies serían irrelevantes.
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Las especies se mueven (deriva) de forma
aleatoria a través de la metacomunidad…
Especiación
aleatoria
Abundancia
baja
Abundancia
moderada
Abundancia
alta
Deriva Ecológica
metacomunidad
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Deriva Ecológica
Abundancia
baja
Abundancia
moderada
Abundancia
alta
metacomunidad
Las especies se mueven (deriva) de forma
aleatoria a través de la metacomunidad…
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Abundancia
baja
Abundancia
moderada
Abundancia
alta
Deriva Ecológica
metacomunidad
Las especies se mueven (deriva) de forma
aleatoria a través de la metacomunidad…
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Deriva Ecológica
Abundancia
baja
Abundancia
moderada
Abundancia
alta
metacomunidad
Las especies se mueven (deriva) de forma
aleatoria a través de la metacomunidad…
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Abundancia
baja
Abundancia
moderada
Abundancia
alta
Deriva Ecológica
metacomunidad
Las especies se mueven (deriva) de forma
aleatoria a través de la metacomunidad…
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Deriva Ecológica
Abundancia
baja
Abundancia
moderada
Abundancia
alta
metacomunidad
Las especies se mueven (deriva) de forma
aleatoria a través de la metacomunidad…
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Deriva Ecológica
Abundancia
baja
Abundancia
moderada
Abundancia
alta
metacomunidad
Las especies se mueven (deriva) de forma
aleatoria a través de la metacomunidad…
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Abundancia
baja
Abundancia
moderada
Abundancia
alta
Deriva Ecológica
Toda las especies nacen, se dispersan, y se extinguen local y globalmente de forma aleatoria!
metacomunidad
Las especies se mueven (deriva) de forma
aleatoria a través de la metacomunidad…
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Dadas esta suposiciones… (y después de “seis semanas” de algebra)
Hubbell generó esta relación:
Ө = 2ρ Am v
Ө es el “número de biodiversidad” de la comunidad
ρ es la densidad de individuos por unidad de área
Am es el área de la metacomunidad
v es la tasa de especiación
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Entonces?
• ¿Qué podemos hacer con Ө?
• Ө es muy parecida a la α de Fisher
• La α de Fisher puede ser usada para
estimar la distribución de la abundancia
de diferentes especies en una comunidad
local
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• De acuerdo con Fisher et al. (1943), el
número de especies con 1, 2, 3, 4…
individuos es determinado por:
αx, αx2/2, αx3/3, αx4/4, ….
• x es una constante entre 0 and 1
Entonces?
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Cuando Hubbell usa su Ө en
la fórmula de la α de Fisher:
Número
de
especies
Distribución
lognormal de Preston
-------------
El modelo de Hubbell es uno de los pocos
modelos que predice la distribución
multinomial suma-cero
2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048 4096
Clases de Abundancia
Distribución de la abundancia en
una comunidad local
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¿Datos de comunidades reales siguen las predicciones
de Hubbell?
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Comunidades de árboles (Cuadrantes de 50 ha en Panamá)
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Comunidades de árboles (Cuadrantes de 50 ha en Indonesia)
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Comunidad de aves de la Gran Bretaña
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Modelo de Hubbell también predice:
• Lo mismo que MacArthur-
Wilson (área-especies,
efecto distancia, tasa de
cambio de especies,etc.)
• Que las curvas área-
especies son lineares en
figuras con ejes
logarítmicos
• Mucho más!
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PERO…
Hay muchos estudios que sugieren que las
suposiciones de neutralidad de Hubbell
están mal:
– Especies si tienen nichos distintos
– Especies ganan o pierden en procesos de
competencia
– Algunas comunidades si tienen composición de
especies predecibles, repetibles (hasta constantes)
– Especies si tienen diferentes: tasas de nacimiento,
tasas de mortalidad y habilidades competitivas
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Una prueba empírica
Comunidad de árboles en el Amazonas
Kraft, Valencia, & Ackerley (2008)
• Cuadrantes de 25 hectáreas de bosque en el
Amazonas
– Dinámicas en cuadrantes del bosque Yasuni,
Ecuador
– 1100 especies de árboles
• Como esta estructurada la comunidad de arboles?
– Modelo Neutro?
– Modelo de ensamble de Nichos?
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Kraft et al. (2008)
• Las características de los árboles varían
– Área específica de la hoja ("SLA") = (área/masa)
– Concentración de Nitrógeno en hojas
– Tamaño de las hojas (área)
– Masa de la semillas
– Diámetro y altura máximas
• Suponemos que las características están
relacionadas a la utilización de recursos
(diferenciación de nichos)
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Kraft et al. (2008)
• Si la teoría neutra fuera correcta, esperaríamos
que NO HUBIERA PATRONES en la distribución
de estas características
• Si la teoría de ensamble de nichos fuera la correcta
entonces esperaríamos que:
– Especies en ambientes similares tengan
características similares (filtros
ambientales)
– Las características de especies del mismo lugar
difieran más que con especies de otros lugares
(diferenciación de nichos)
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predicción modelo nulo
RANGE OF SPECIFIC
LEAF AREA
RANK OF SPECIFIC
LEAF AREA
High SLA
Low SLA
predicción modelo nulo
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Kraft et al. (2008)
“…nuestros resultados apoyan al modelo de nicho en las dinámicas de bosques tropicales, en donde pequeños pero
importantes especializaciones al medio ambiente… contribuyen a la coexistencia
de especies”
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Entonces…
• Grandes debates y discusiones sobre
el modelo neutro de Hubbell
• Parece que hace predicciones únicas
y precisas…
…a pesar de hacer suposiciones
incorrectas
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Rosindell et al. (2011)
“Ningún ecólogo cree que el mundo en realidad es neutro. Los ecólogos que proponen la utilización de la teoría neutra simplemente aseguran que los modelos neutros tienen valor al ser agregados a la caja de herramientas del ecólogo”
“Si un modelo neutro es inconsistente con los datos, uno puede aprender algo sobre que factores biológicos que esta faltando son necesarios para mejorarlo”
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Dos Líneas en las Teorías de la Ecología de Comunidades
Teoría de Biogeografia de Islas (MacArthur and Wilson 1967)
Principio de Exclusión
Competitiva (Gause 1932, 1934)
Partición de Nichos,
Similaridades Limitadas (Hutchinson 1959, MacArthur 1972)
Reglas de Ensamble de
Comunidades (Diamond 1975)
Curvas Área-Especies (Gleason 1922, Preston 1948, 1962)
Teoría Neutra de Biodiversidad (Hubbell 2001)
Perspectiva Ensamble
de Nichos
(local)
Perspectiva Ensamble
Dispersión
(regional o paisaje)
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Leer Palma 2010