Modelos matemáticos permitem representar sistemas ecológicos e sua capacidade de adaptação e – e seus limites – frente às mudanças ambientais. Formulações recentes mostram que, mesmo sem ultrapassar esses chamados tipping points, os sistemas ecológicos podem colapsar devido à rapidez das mudanças ambientais.

Por Amanda Barreto Campos e Flávia Maria Darcie Marquitti

De maneira geral, a magnitude das mudanças ambientais e a taxa com a qual elas estão acontecendo aumentam em todo o mundo. As mudanças incluem épocas chuvosas mais intensas em alguns lugares, secas mais prolongadas em outros, frentes frias e ondas de calor mais frequentes – e a temperatura média global pode aumentar a diferentes taxas, de acordo com as previsões dos órgãos de monitoramento como o IPCC.

O ambiente determina o contexto no qual os organismos vivem. Quando ele muda, os ecossistemas, que são compostos por diversas espécies que interagem entre si e com o ambiente físico e químico, são afetados. Mudanças na composição e abundância de espécies, por exemplo, podem fazer com que algumas consideradas raras se tornem dominantes – ou o contrário. Isso pode levar à perda ou substituição de espécies e, em casos mais graves, o colapso do ecossistema.

Essas mudanças qualitativas são chamadas de transições críticas na literatura ecológica, e são causadas por perturbações, isto é, mudanças no estado natural ambiental. Perturbações podem ser causadas por forças externas que alteram as condições ecológicas, e variar em sua dinâmica temporal. Podem ocorrer de forma abrupta, como ondas de calor, furacões ou outros eventos extremos, ou gradualmente por meio de mudanças ambientais persistentes, como aumento da temperatura média global, poluição, perda progressiva de habitat, e outras formas de degradação ambiental crônica.

Mudanças na composição das espécies são frequentemente acompanhadas por alterações no funcionamento e nos serviços ecossistêmicos por elas prestados. Por exemplo, após uma perturbação, recifes de coral podem sofrer mudanças composicionais substanciais. Os recifes são constituídos por diversas espécies de corais, que podem ser categorizadas em morfotipos funcionais. Eles se diferem quanto às suas taxas de crescimento, tolerância ao estresse e, notadamente, aos seus papéis no funcionamento do ecossistema. Os corais ramificados, por exemplo, representam um morfotipo que confere a arquitetura tridimensional ao recife, e apresentam baixa tolerância ao estresse. Consequentemente, quando ocorrem perturbações como ondas de calor, são severamente afetados. A simplificação da arquitetura recifal devido à perturbação climática reduz, por sua vez, a biodiversidade associada a esse ecossistema.

Quando mais severas, mudanças ambientais podem levar ao declínio das espécies de corais construtores de recifes e a uma transição para recifes dominados por macroalgas. Esses recifes perturbados apresentam, então, perdas substanciais de funções e serviços ecossistêmicos fundamentais. Além de afetar questões econômicas, sociais e culturais, uma vez que também são fonte de subsistência de muitas comunidades pesqueiras, com grande valor sociocultural.

Sistemas terrestres também estão sujeitos a transições críticas. Por exemplo, ecossistemas florestais podem ser mantidos por retroalimentações positivas entre a vegetação e a precipitação, nas quais a presença de florestas favorece a ocorrência de chuvas que, por sua vez, reforçam a persistência da floresta. No entanto, à medida que a cobertura arbórea é progressivamente reduzida, essa retroalimentação enfraquece, diminuindo a precipitação. Como consequência, a composição do ecossistema muda para dar lugar a uma formação mais savânica capaz de persistir em um ambiente com deficiência hídrica.

Tais transições envolvem não apenas mudanças na estrutura da vegetação local, mas também consequências ecológicas substanciais. Com o regime de chuva que era retroalimentado pela vegetação densa agora rarefeito pela degradação florestal, as reservas de águas ficam mais profundas e a vegetação mais adaptada a essas novas condições. À medida que a composição e a abundância vegetal passam de plantas associadas a florestas densas para a vegetação associada a ambientes mais secos como savanas, ocorrem mudanças também na fauna associada a esses ambientes. Animais polinizadores e dispersores de semente mudam, desencadeando transformação de toda a cadeia trófica do ecossistema.

A transformação desse ambiente terrestre também tem fortes consequências socioeconômicas. Com a alteração de regimes hídricos em grande escala, é preciso depender mais de aquíferos e rios, bem como investir mais na irrigação das culturas agrícolas. Socialmente, a mudança ambiental descaracteriza lugares, histórias e saberes associados aos povos locais. Serviços ecossistêmicos relacionados à água e à fixação e estoque de carbono também se alteram.

Modelos matemáticos e desafios

Políticas públicas como a redução da emissão de gases de efeito estufa e diminuição da degradação ambiental devem ser guiadas por mapas que ajudem a antecipar as consequências das mudanças ambientais sobre os ecossistemas. Essas informações são importantes para entender exatamente quais intervenções podem ser feitas de maneira precisa, além de identificar os ecossistemas mais vulneráveis, priorizando recursos e esforços.

A detecção de uma transição crítica iminente ainda é um desafio em sistemas naturais, e a busca por indicadores indiretos (chamados de proxies) é necessária para identificar precocemente sinais de alerta. Isso ajuda a prevenir transições críticas indesejadas e também na preparação para um novo cenário.

Nesse sentido, modelos matemáticos são ferramentas úteis, tanto para a compreensão dos fenômenos da transição crítica como para a capacidade de previsão de mudanças iminentes. Formular dinâmicas desses ecossistemas por meios de equações – que representam, por exemplo, como diferentes tipos de corais interagem entre si e com as macroalgas, ou até mesmo a interação entre ciclo da água, regimes de fogo, e remoção de árvores em uma floresta – ajudam a compreender quando uma espécie passa a dominar outras, potencialmente diminuindo a diversidade, ou quando um tipo florestal é perdido por completo, e de que forma isso pode alterar a dinâmica de chuvas. 

Com modelos matemáticos podemos representar sistemas ecológicos e sua capacidade de adaptação frente às mudanças ambientais e determinar o efeito individual e combinado, por exemplo, da magnitude e da taxa de mudança ambiental. Podemos mapear, por exemplo, qual contexto ambiental permite a persistência de recifes de corais saudáveis ou promove recifes degradados que já não exercem sua função ecossistêmica, bem como o contexto ambiental que promove a persistência de florestas e savanas. Com isso, é possível delimitar o que o sistema ecológico consegue suportar até mudar seu estado qualitativo, ou quando se aproxima do limite (tipping point), nas chamadas transições críticas causadas pela magnitude de mudança ambiental.

A questão da velocidade

Entretanto, diante da rapidez das mudanças ambientais, formulações recentes mostram que, mesmo sem ultrapassar os limiares de permissibilidade, os sistemas podem colapsar. Isso acontece porque, mesmo quando consideramos a adaptabilidade das espécies, se as mudanças ambientais são rápidas demais, não há tempo suficiente para que os organismos, por meio da seleção natural, se adaptem às novas condições. Isso porque leva tempo para aqueles que possuem características vantajosas sob as novas condições deixem descendentes (também com essa característica) e recuperem a espécie. Assim, quando as mudanças ambientais são rápidas demais – mesmo que pequenas em termos de magnitude total – a velocidade pode levar espécies à extinção local, mudando qualitativamente aquele ecossistema. A isso damos o nome de transições críticas causadas pela velocidade da mudança (ou ainda, transições críticas induzidas por taxas).

Esta é uma área que se inseriu nos estudos de modelagem matemática aplicada a sistemas ecológicos muito recentemente. Dados o caráter adaptativo das espécies e as mudanças antrópicas que adquirem velocidades cada vez mais expressivas, esse tipo de abordagem tem se tornado cada vez mais importante e dominante.

Estudos sobre as magnitudes de mudanças têm potencial para indicar os chamados tipping points – ou os pontos de transição de sistemas. Por exemplo, considera-se que recifes de corais de águas quentes já ultrapassaram o aumento da temperatura considerada tipping point e estão em mortalidade crescente. Em outros sistemas, no entanto, precisamos detectar se as mudanças críticas não ocorrerão antes mesmo de atingir esse limite. 

Dessa forma, os modelos matemáticos ajudam a entender não só a contribuição da magnitude, detectando as mudanças ambientais máximas suportadas pelos ecossistemas, mas também apontam a velocidade que comportam. As ferramentas para prever, antecipar e traçar estratégias de manejo e mitigação sob este novo olhar, que leva em conta as velocidades, estão sendo desenvolvidas, e em vários sistemas ecológicos já se sabe que diminuir as mudanças ambientais não é o suficiente, é preciso desacelerá-las.

As consequências não estão limitadas aos ambientes naturais. Apesar de muitas pesquisas focarem nesse ponto – como recifes de coral, florestas e savanas – os efeitos dessas perturbações reverberam também nos ambientes urbanos. Ondas de calor e chuvas intensas têm aumentado de frequência em alguns locais. As populações não são afetadas de forma homogênea, e locais com menos recursos, preparação e planejamento urbano têm maiores chances de serem gravemente atingidos.

Nesse contexto social, estudos avançam para detectar os tipping points positivos propulsionados principalmente por ações humanas. Eles são desencadeados por medidas intencionais adotadas pela sociedade e tomadores de decisão que têm efeito direto (e de retroalimentação) na diminuição das principais causas das mudanças globais.

É preciso esforço conjunto entre ciência e sociedade para mitigar as mudanças ambientais e suas consequências. O desenvolvimento científico avança rapidamente em busca de entendimento e previsão, e é preciso que este conhecimento, que tem se acumulado tão rapidamente, seja traduzido em ações ainda mais velozes. 

Amanda Barreto Campos é doutoranda em ecologia (USP)
Flávia Maria Darcie Marquitti é professora do Instituto de Biologia da Unicamp