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Mikami Environmental Blog

Ecosystems can be restored through biodiversity engineering

Publicado em 10 janeiro 2019

Por Elton Alisson, da Agência FAPESP

Many scientists consider that human activities began to have, as of the end of the 18th century, such a significant impact on Earth's climate and ecosystems that it gave birth to a geological time they named Anthropocene.

Eliminations of species in this most recent period of the history of planet Earth can rival the large mass extinctions recorded over other geological ages. In order to restore this loss of biodiversity and the functioning of the terrestrial ecosystem, it would be necessary to urgently apply existing ecological knowledge.

A study by Brazilian and British researchers indicated that there are unprecedented theoretical, methodological and technological conditions to meet this challenge.

As a result of a research supported by FAPESP and a postdoctoral fellowship with FAPESP scholarship, the work was published in the journal Trends in Ecology & Evolution.

"We are just a few steps away from making 'biodiversity engineering' possible, that is, manipulating biodiversity to design the composition of ecological communities and ensuring the permanence of the functions of an ecosystem," said Rafael Luis Galdini Raimundo, of Engineering and Environment of the Federal University of Paraíba (UFPB) and first author of the study, to Agência FAPESP.

"We now have all the theoretical and methodological conditions to understand and better predict the consequences of the inclusion or withdrawal of a species from a community for end of management in the functional diversity of an ecosystem," he said.

According to the study's authors, the manipulation of ecological communities for restoration has a long scientific history and has been done for more than a century, mainly in countries of Europe and the United States.

Traditionally, however, restoration efforts have focused on species inclusion or removal with the aim of rescuing patterns of plant and animal richness, without focusing on ecological interactions between populations, species and predators and prey, for example.

These ecological interactions are determinant for biodiversity and ecosystem patterns of functioning by shaping the force and modes of natural selection. Possible changes in the patterns of these interactions caused by the extinction of species or by invasive species, for example, affect the evolution of ecologically relevant functional characteristics, such as the size of the beak of fruit-eating birds (frugivorous) and the size of the fruits which disperse.

In the Atlantic Forest, the loss of large species of birds such as toucans (Ramphastidae) and jacutinga (Pipile jacutinga) has led to a decrease in the dispersion of large seeded trees. On the other hand, the decrease of dispersal species of the palmito-juçara (Euterpe edulis) has caused their seeds to be distributed in a few areas of the biome. Consequently, the size of the plant's seeds has been reduced, say the authors of the study.

"Interactions between species represent the link between ecological and evolutionary processes and can also be seen as the connection between the structure of biodiversity and the functioning of the ecosystem," said Galdini Raimundo.

Propitious conditions

The development of mathematical models of adaptive networks has allowed ecologists to better understand how changes in patterns of ecological interactions - which define the structure of a network of interactions - are followed by changes in the dynamics and properties of populations of each species, such as their abundance and features.

These ecological and evolutionary changes in the properties of the species can trigger new reconfigurations at the level of the network of interactions, closing a cycle.

"The application of the network approach to ecology allows us to generate predictions for what happens to evolutionary and ecological processes in these networks of complex interactions and to create testable hypotheses of different management strategies," said Galdini Raimundo. "With this, it is possible to build stable communities, with all the ecosystem functions operating normally."

Despite the potential of adaptive network models in ecosystem management, until recently the data needed to feed them prevented their application as a predictive tool in restoration ecology.

Genome sequencing techniques developed over the last few years have enabled species interaction data to be obtained on an unprecedented scale, giving rise to the big biodiversity date.

According to the researchers, these sequencing techniques have made it possible not only to obtain data on the ecological structure of networks but also on the phylogenetic relationships among species within a community - which is fundamental to predict how an ecological network will reconnect its structure and how new dynamics will reshape characteristics and species abundance.

"Fusing state-of-the-art genome sequencing techniques with ecological networks provides new tools for studying the resilience of interacting communities to environmental changes, while incorporating key attributes such as functional diversity," said Darren Evans, a professor at Newcastle University, in England, and co-author of the study.

Some of the bottlenecks for using these evolutionary and predictive ecological models are to expand collaborative research so that sites can be monitored to make adaptive network predictions and increase the interaction between researchers who carry out fieldwork and implement restoration and theorists.

"The application of these models depends on establishing a two-way path between the researcher who makes the models and generates the predictions and who is on the field, testing restoration practices at this community scale to improve models, generate more accurate predictions and over time we can refine this engineering of biodiversity in the long term, "said Galdini Raimundo.

The article Adaptive networks for restoration ecology (doi: doi.org/10.1016/j.tree.2018.06.002), by Rafael LG Raimundo, Paulo R. Guimarães Jr and Darren M. Evans, can be read by subscribers of the magazine Trends in Ecology & Evolution at www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169534718301393.

Published by EcoDebate on January 10, 2019

Ecossistemas poderão ser restaurados por meio da engenharia da biodiversidade

Por Elton Alisson

Agência FAPESP

Muitos cientistas consideram que as atividades humanas começaram a ter, a partir do fim do século 18, um impacto tão significativo no clima e nos ecossistemas da Terra a ponto de der dado origem a uma época geológica que denominaram Antropoceno.

As eliminações de espécies nesse período mais recente da história do planeta Terra podem rivalizar com as grandes extinções em massa registradas ao longo de outras eras geológicas. A fim de restaurar essa perda de biodiversidade e o funcionamento do ecossistema terrestre seria preciso aplicar, urgentemente, o conhecimento ecológico existente.

Um estudo de autoria de pesquisadores brasileiros e britânicos indicou que há condições teóricas, metodológicas e tecnológicas sem precedentes para enfrentar esse desafio.

Resultado de uma pesquisa apoiada pela FAPESP e de um pós-doutorado realizado com Bolsa da FAPESP, o trabalho teve resultados publicados na revista Trends in Ecology & Evolution.

“Estamos a apenas alguns passos de possibilitar a realização da ‘engenharia da biodiversidade’, ou seja, manipular a biodiversidade para projetar a composição de comunidades ecológicas e garantir a permanência das funções de um ecossistema”, disse Rafael Luís Galdini Raimundo, professor do Departamento de Engenharia e Meio Ambiente da Universidade Federal da Paraíba (UFPB) e primeiro autor do estudo, à Agência FAPESP.

“Temos agora todas as condições teóricas e metodológicas para entender e prever melhor as consequências da inclusão ou da retirada de uma espécie de uma comunidade para fim de manejo na diversidade funcional de um ecossistema”, avaliou.

De acordo com os autores do estudo, a manipulação de comunidades ecológicas para restauração tem uma longa história científica e é feita há mais de um século, principalmente em países da Europa e nos Estados Unidos.

Tradicionalmente, contudo, as iniciativas de restauração têm sido focadas na inclusão ou na remoção de espécies com o intuito de resgatar padrões de riqueza de plantas e animais, sem se concentrar nas interações ecológicas entre populações, espécies e predadores e presas, por exemplo.

Essas interações ecológicas são determinantes para os padrões de biodiversidade e de funcionamento de um ecossistema por moldar a força e os modos de seleção natural. Eventuais mudanças nos padrões dessas interações provocadas pela extinção de espécies ou pela entrada de espécies invasoras, por exemplo, afetam a evolução de características funcionais ecologicamente relevantes, como o tamanho do bico de aves que se alimentam de frutos (frugívoras) e o tamanho dos frutos que dispersam.

Na Mata Atlântica, a perda de grandes espécies de aves como tucanos (Ramphastidae) e jacutingas (Pipile jacutinga) tem levado à diminuição da dispersão de árvores com sementes grandes. Já a diminuição de espécies dispersoras do palmito-juçara (Euterpe edulis) tem feito com que suas sementes passem a ser distribuídas por poucas áreas do bioma. Consequentemente, tem diminuído o tamanho das sementes da planta, dizem os autores do estudo.

“As interações entre espécies representam a ligação entre processos ecológicos e evolutivos e também podem ser vistas como a conexão entre a estrutura da biodiversidade e o funcionamento do ecossistema”, disse Galdini Raimundo.

Condições propícias

O desenvolvimento de modelos matemáticos de redes adaptativas permitiu a ecólogos compreender melhor como mudanças nos padrões de interações ecológicas – que definem a estrutura de uma rede de interações – são seguidas por mudanças na dinâmica e nas propriedades das populações de cada espécie, como sua abundância e características.

Essas mudanças ecológicas e evolutivas nas propriedades das espécies podem desencadear novas reconfigurações no nível da rede de interações, fechando um ciclo.

“A aplicação da abordagem de rede à ecologia permite gerar previsões para o que acontece com processos evolutivos e ecológicos nessas redes de interações complexas e criar hipóteses testáveis de diferentes estratégias de manejo”, disse Galdini Raimundo. “Com isso, é possível construir comunidades estáveis, com todas as funções ecossistêmicas operando normalmente.”

Apesar do potencial dos modelos de redes adaptativas na gestão de ecossistemas, até recentemente os dados necessários para alimentá-los impediam sua aplicação como uma ferramenta preditiva na ecologia da restauração.

As técnicas de sequenciamento do genoma desenvolvidas nos últimos anos permitiram obter dados de interação de espécies em uma escala sem precedentes, dando origem ao big data da biodiversidade.

Segundo os pesquisadores, essas técnicas de sequenciamento possibilitaram não apenas obter dados da estrutura ecológica de redes, mas também sobre as relações filogenéticas entre espécies dentro de uma comunidade – o que é fundamental para prever como uma rede ecológica irá reconectar sua estrutura e como novas dinâmicas irão remodelar características e a abundância de espécies.

“Fundir técnicas de sequenciamento de genoma de última geração com redes ecológicas fornece novas ferramentas para estudar a resiliência de comunidades interagentes às mudanças ambientais, ao mesmo tempo que incorpora importantes atributos, como a diversidade funcional”, disse Darren Evans, professor da Newcastle University, na Inglaterra, e coautor do estudo.

Alguns dos gargalos para o uso desses modelos ecológicos evolutivos e preditivos são ampliar as colaborações em pesquisa, de modo a permitir monitorar locais para fazer as previsões de rede adaptativas, e aumentar a interação entre pesquisadores que realizam os trabalhos em campo e implementam as práticas de restauração e os teóricos.

“A aplicação desses modelos depende do estabelecimento de uma via de mão dupla entre o pesquisador que faz os modelos e gera as predições e quem está em campo, testando as práticas de restauração nessa escala de comunidade, para aprimorar os modelos, gerar predições mais acuradas e, com o tempo, em longo prazo, conseguirmos refinar essa engenharia da biodiversidade”, disse Galdini Raimundo.

O artigo Adaptive networks for restoration ecology (doi: doi.org/10.1016/j.tree.2018.06.002), de Rafael L. G. Raimundo, Paulo R. Guimarães Jr e Darren M. Evans, pode ser lido por assinantes da revista Trends in Ecology & Evolution em www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169534718301393.

Publicado por EcoDebate em 10 de Janeiro, 2019