Critical Biodiversity
Authors: Kaufman J. H. , Brodbeck D. , Melroy O. R. 
Published: August 2010

Ecosystems are dynamic systems in which organisms survive subject to a complex web of interactions. Are ecosystems intrinsically stable or do they naturally develop into a chaotic state where mass extinction is an unavoidable consequence of the dynamics? To study this problem we developed a computer model in which the organisms and their interactions “evolve” by a “natural selection” process. The organisms exist on a multi‐dimensional lattice defined both by a diverse physical landscape that does not change and by the presence of other species that are evolving. This multidimensional lattice defines a dynamic vector of “niches.” The possible niches include the fixed physical landscape and all of the species themselves. Species may evolve that specialize or that are adapted to many niches. The particular niches that individual species are adapted to occupy are not built into the model. These interactions develop as a consequence of the selection process. As species in the model evolve, a complex food web develops. We found evidence for a “critical” level of biodiversity at which ecosystems are highly susceptible to extinction. Our model suggests the critical biodiversity point is not a point of attraction in the evolutionary process. Our system naturally reaches an ordered state where global perturbations are required to cause mass extinction. Reaching the ordered state beyond the critical point, however, is kinetically limited because the susceptibility to extinction is so high near the critical biodiversity. We quantify this behavior as analagous to a physical phase transition and suggest model independent measures for the susceptibility to extinction, order parameter, and effective temperature. These measures may also be applied to natural (real) ecosystems to study evolution and extinction on Earth as well as the influence of human activity on ecosystem stability.

Biodiversidad Crítica

Los ecosistemas son sistemas dinámicos en los organismos sobreviven a una compleja red de interacciones. ¿Son intrínsecamente estables los ecosistemas o se desarrollan naturalmente hasta un estado caótico en el que la extinción masiva es una consecuencia inevitable de la dinámica? Para estudiar este problema desarrollamos un modelo de computadora en el que los organismos y sus interacciones “evolucionan” por un proceso de “selección natural.” Los organismos existen en un enrejado multidimensional definido por un diverso paisaje físico que no cambia y por la presencia de otras especies que están evolucionando. Este enrejado multidimensional define un vector de “nichos” dinámico. Los nichos posibles incluyen al paisaje físico fijo y a todas las especies. Las especies pueden evolucionar para especializarse o para adaptarse a muchos nichos. El modelo no incluye los nichos particulares a los que se adaptan especies individuales. Estas interacciones se desarrollan como consecuencia del proceso de selección. A medida que evolucionan las especies en el modelo, se desarrolla una compleja red alimenticia. Encontramos evidencia de un nivel “crítico” de biodiversidad en el que los ecosistemas son altamente susceptibles de extinción. Nuestro modelo sugiere que el punto crítico de biodiversidad no es un punto de atracción durante el proceso evolutivo. Nuestro sistema alcanza un estado ordenado naturalmente en el que se requieren perturbaciones globales para causar estinción masiva. Sin embargo, alcanzar el estado ordenado después del punto crítico esta limitado cinéticamente porque la susceptibilidad de extinción es muy alta cerca del punto crítico. Cuantificamos este comportamiento como análogo al de fase de transición física y sugerimos parámetros independientes del modelo para medir susceptibilidad de extinción, orden y temperatura efectiva. Estas medidas también se pueden aplicar a ecosistemas naturales (reales) para estudiar la evolución y extinción sobre la Tierra, así como la influencia de la actividad humana sobre la estabilidad del ecosistema.