Sobre flors, insectes i xarxes

7 de febrer 2018

La natura estableix relacions entre espècies i organismes formant una xarxa molt complexa on sovint apareixen uns nodes més interconnectats que d’altres, anomenats ‘hubs’. Però també els humans creem aquest tipus de xarxes, com per exemple amb els aeroports com a nodes i els vols com a connexions.

FL09_CAT_xarxes_hubs

Per al Nacho i el Marc.

Ja és hivern i els llibres diuen que la vida s’alenteix. Les plantes aturen el creixement i la floració fins a la primavera. Però la realitat intenta eludir els tòpics. Recordo quan a la llar d’infants del meu fill adornaven la classe amb motius de la tardor, i demanaven materials per personalitzar l’ornamentació. Esperaven fulles caduques de colors marrons o rogencs, fruits encarnats i pinyes recollides del sòl. Jo vaig preparar un ram florit de romaní i bruc d’hivern. Vivíem a Barcelona i en aquella època mostrejava regularment al massís proper del Garraf, recobert per garrigues i pinedes ben mediterrànies. Allà es poden trobar flors durant totes les estacions de l’any. Vaig insistir i explicar el meu caprici al professorat. Van posar cara de commiseració, però era una escola en la qual es valorava molt la implicació dels pares i mares i finalment el meu ramell va participar en l’exposició. És curiós com arrelen els tòpics en la societat i el que costa obrir els ulls i la ment, fins i tot a la realitat física més evident que ens envolta. No obstant això, uns anys després les flors de romaní s’havien incorporat al paisatge de tardor escolar.

ericamultiflora

El bruc d’hivern (Erica multiflora) floreix des de finals d’estiu fins a ben entrat l’hivern. Autor: Francisco Lloret

Si hi ha flors a l’hivern, és per alguna raó. De fet, en les regions mediterrànies les temperatures de tardor i d’hivern no solen ser rigorosament fredes. Hi ha insectes que són capaços de mantenir la seva activitat en aquest període. Alguns pol·linitzen les flors de les poques espècies que han optat per seguir invertint en reproduir-se. Aquestes flors competeixen per atraure els pol·linitzadors. Aprofitar moments amb pocs insectes pot ser un avantatge. En un dels estudis que fèiem al Garraf, Marc Santandreu havia observat que a mesura que avançava l’hivern i disminuïa el nombre de flors de bruc, les llavors que quallaven en cada flor augmentaven, tot i que les visites dels pol·linitzadors havien disminuït. Diríem que aquestes visites s’havien tornat genèticament més eficients ja que la unitat genètica de reproducció dels vegetals es troba en els òrgans florals. La dotació genètica dels òrgans femenins i masculins varia entre les diferents flors d’una mateixa planta. L’intercanvi de gens es produeix dins les estructures florals.

No podem entendre la vistositat i l’aroma de les flors —i el gaudi estètic i emocional que ens produeix la seva contemplació— sense l’existència dels insectes pol·linitzadors. Els llinatges de les plantes van trobar la manera d’incrementar la seva diversitat genètica creuant els gàmetes mitjançant aquests transportistes —avui parlaríem de missatgeria— que són els insectes. Per aconseguir-ho només van haver de transformar les fulles —pètals, sèpals, estams, carpels— que envolten els òvuls i els grans de pol·len perquè els insectes les reconeguessin fàcilment, alhora que els recompensaven amb aliment —el nèctar. Al seu torn, els insectes es van especialitzar en les diferents morfologies florals. Van treure partit al seu cicle biològic, compartimentat en diversos estadis. Els adults solen ser clarament diferents de les larves tant en la seva morfologia —les larves sovint tenen una forma vermicular, de cuc— com en el seu estil de vida i en la seva alimentació. En una mateixa espècie de papallona, ​​mentre que l’adult visita i pol·linitza les flors, les larves s’alimenten de les fulles d’altres espècies vegetals. De fet, podríem contemplar les papallones adultes, amb la seva curta vida, com a simples proveïdors de diversitat genètica a uns llinatges de larves que amb prou feines superen l’edat infantil, però que són majoritàries pel seu nombre i capacitat de mobilitzar energia a la xarxa tròfica.

abellotflor

Un borinot robant el nèctar d’una flor. Autor: Jose Luís Ordóñez

Curiosament, en el món vegetal, els proveïdors de diversitat genètica són la miríada de flors que creixen sobre un nombre més petit de plantes, les quals al seu torn mobilitzen l’energia solar en els ecosistemes terrestres. El resultat és que la interacció entre flors i insectes pol·linitzadors —encara que també altres animals són capaços de pol·linitzar, com ens va mostrar Anna Travesset amb les sargantanes baleàriques— ha estat un dels grans motors d’intercanvi genètic en aquests ecosistemes. Cal reconèixer el seu èxit: ha estat la causa d’una part molt important de la biodiversitat terrestre. No podem entendre l’explosió de flors de prats i aiguamolls, matolls i boscos, ni la de papallones, abelles i borinots i molts altres insectes sense aquesta interacció.

Però les relacions entre les flors i els seus pol·linitzadors són realment complexes, molt més que el senzill exemple del bruc. No només han promogut la biodiversitat, sinó que també han atret l’interès dels biòlegs i biòlogues que busquen regles en l’entramat de les interaccions entre els éssers vius. Quantes espècies d’insectes pol·linitzen una espècie determinada de planta? Quants tipus de flors diferents utilitza una determinada espècie d’insecte? Podem construir representacions d’aquest entramat i formulacions matemàtiques que els estudien amb l’anomenada ‘teoria de grafs’.

xarxapollinitzadors

Representació d’una xarxa de plantes i pol·linitzadors diürns i nocturns. Dibuixos utilitzats sota la Llicència Comercial ClipArt ETC. Imatge publicada a: Macgregor C.J., Pocock M.J.O., Fox R., Evans D.M. (2014). Pollination by nocturnal Lepidoptera, and the effects of light pollution: a review. Ecological Entomology 40 (3). DOI: 10.1111/een.12174

A part l’efecte visual de la seva representació, probablement una de les coses més sorprenents és trobar certes regularitats que es repeteixen en aquestes xarxes independentment del context geogràfic o del tipus d’objectes interrelacionats —encara que no es tracti d’entitats pròpiament biològiques. Com a punt de partida, podríem pensar en xarxes en què els seus elements —nodes— es connectin a l’atzar. Es tractaria d’un sistema poc organitzat, escassament predictible, i que no es correspon a la nostra experiència quotidiana. Nosaltres no vam construir la nostra xarxa de relacions personals basant-nos en continues trobades fortuïtes. En realitat, tendim a relacionar-nos amb un nombre limitat de persones, aquelles que tenim més properes. Es tractaria d’una estructura de xarxa en la qual necessitem molts passos intermedis per accedir a algú que estigui geogràfica o socialment distant. La veritat és que ocasionalment establim relació directa amb algú distant. Antigament, s’utilitzava la correspondència o els viatges ocasionals. La incorporació d’unes quantes connexions a elements llunyans, encara que sigui aleatòria, disminueix enormement els passos necessaris per a accedir a qualsevol node de la xarxa, donant origen al que s’anomena xarxa de ‘món petit’. Una d’aquestes regles sorprenents de les xarxes indica que sis és el nombre màgic aproximat de passos que permet arribar a qualsevol punt en grans xarxes com les que generen les societats humanes.

Si el fet d’establir connexió implica algun benefici, es tendirà a afavorir les connexions amb aquells nodes que serveixen d’enllaç entre parts distants de la xarxa, sense que sigui necessari que cada node inverteixi en moltes connexions a llarga distància. Com a resultat tindrem que la xarxa s’estructura en base a uns nodes molt connectats, com els aeroports ‘hubs’ del transport aeronàutic. Per tant, tindrem uns pocs nodes amb molts enllaços i nombrosos nodes amb un nombre reduït de connexions. Curiosament, és el mateix patró que trobem a la diversitat biològica, amb poques espècies amb moltíssims individus i nombroses espècies amb pocs individus.

Tornant a la xarxa de pol·linitzadors, podem reconèixer l’existència d’espècies generalistes (amb moltes connexions, és a dir visites a moltes flors diferents) i especialistes (amb poques connexions, és a dir que prefereixen pocs tipus de flors). En general, s’observa que els insectes pol·linitzadors especialistes visiten espècies de plantes que també són visitades pels insectes generalistes. És a dir, els insectes especialistes tendeixen a establir relació amb flors generalistes. El mateix passa a les plantes especialistes, les quals tendeixen a ser pol·linitzades per insectes generalistes. A aquest fenomen se l’anomena encaixament o nidificació —nestedness en anglès— i ajudaria a fer més robusta la xarxa.  D’aquesta forma els insectes especialistes, que serien més vulnerables, depenen d’espècies de plantes fiables, que al seu torn són menys dependents de les visites d’uns pocs pol·linitzadors. O dit de forma més realista, la relació entre pol·linitzadors especialistes i plantes especialistes tendeix a desaparèixer perquè quan un d’ells falla, l’altre no pot persistir.

L’interès per comprendre el funcionament d’aquestes xarxes transcendeix el món de la història natural, quan veiem que les seves lleis són les mateixes que regeixen les xarxes socials de comunicació o d’intercanvis econòmics. Amb l’adveniment dels ordinadors i l’accés remot amb escasses restriccions a altres s’ha revalorat l’estudi de les xarxes i les seves propietats, que ja havien abordat els matemàtics. Una de les particularitats de la web és que les connexions a llarga distància tenen cost gairebé zero. El que a primera vista podria semblar un avantatge, també representa una pèrdua d’estructura, i per tant d’eficiència, tot i els avantatges d’un accés entre parells més igualitari. Sembla que necessitem intermediaris —els hubs— que estructurin i jerarquitzin la xarxa.

nestedness

Matriu d’interacció on es mostra la interacció entre espècies de plantes i espècies animals (casella pintada). La línia representa la isoclina d’una nestedness perfecta. La figura apareix a: Bascompte J., Jordano P. (2007). Plant-Animal Mutualistic Networks: The Architecture of Biodiversity. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics 38: 567-93. DOI: 10.1146/annurev.ecolsys.38.091206.095818

No per casualitat, el mateix sistema s’ha anat estructurant a partir de cercadors que canalitzen una gran part d’aquestes connexions. El seu èxit es basa en la força bruta d’uns algoritmes que analitzen la freqüència de connexions, promovent futurs enllaços. En essència és el mecanisme que hem vist que afavoria l’aparició de hubs. Així i tot, els motius per establir connexions són moltíssims i el llistat de resultats generat per un cercador acaba perdent utilitat. Acabem utilitzant filtres temàtics, o bé el propi cercador ho decideix per nosaltres i ens situa en primer terme aquells temes que són més freqüentment buscats. Aquests sovint impliquen transaccions comercials —hotels, viatges—, la qual cosa al seu torn constitueix la base del negoci del cercador. Així, en realitat la xarxa s’estructura també temàticament, compartimentant-la.

La compartimentació —també anomenada modularitat— és una altra de les propietats de les xarxes i també l’observem en les ecològiques. Diem que un compartiment està constituït per un conjunt de nodes —espècies— més relacionats entre si que amb la resta dels nodes de la xarxa. En una xarxa de pol·linitzadors i plantes aquesta compartimentació podria venir determinada, per exemple, per l’existència de determinades morfologies florals que restringeixen el nombre de possibles espècies pol·linitzadores.

Encara que l’estudi de les xarxes sembla centrar-se en les interaccions, és important no perdre de vista que aquestes interaccions no existirien sense els nodes, i que aquests es defineixen com a unitats discretes. Això és molt important. Les xarxes d’interaccions es construeixen en contraposició a altres models de comprensió del món que es basen en la naturalesa contínua de fluxos de matèria i energia, sense identificar unitats discretes. Per exemple, per establir l’aigua disponible en una conca hidrogràfica necessitem saber les entrades d’aigua, principalment per precipitació, i les sortides, per evapotranspiració, infiltració al subsòl i transport fluvial, però no necessitem establir unitats discretes d’estudi que estiguin interconnectades. No podem obviar que la vida s’organitza en unitats discretes, els organismes. Això forma l’essència més profunda de la vida. Les estructures biològiques s’autoorganitzen i es mantenen en el temps, eludint el màxim desordre entròpic que determinen les lleis de la termodinàmica, gràcies a la seva capacitat de dissipar energia. La construcció de membranes i filtres que delimiten l’entorn bioquímic és el primer pas d’aquesta autoorganització. Sense aquest component energètic no s’explicaria la naturalesa discreta de la vida. De fet, en ecologia hi ha una llarga tradició de síntesi entre una aproximació basada en el flux d’energia i matèria i una altra que analitza la resposta selectiva d’organismes i espècies. Aquesta síntesi es materialitza en l’estudi de les xarxes tròfiques, amb els seus diferents nivells d’espècies productores —assimiladores— i consumidores —depredadores.

Airports-network

Xarxa de connexions aèries amb 60.000 rutes registrades i 3.200 aeroports. Els punts més visibles serien els hubs. El mapa està fet amb a partir d’aplicar un algoritme sobre una base de dades disponible a OpenFlights.org. Inicialment el mapa és reconeixible per la forma dels continents, i evoluciona fins guanyant espai en el mapa les regions més connectades a nivell aeroportuari. Això sobredimensiona molt Europa i empetiteix Àfrica, per exemple. Autor: Martin Grandjean (CC-BY-SA)

Les xarxes d’interaccions basades en les propietats matemàtiques de nodes i connexions, com les que descriuen mutualismes com la pol·linització, no han incorporat encara suficientment la naturalesa energètica de les interaccions. Probablement, la raó és que l’estudi de xarxes cerca descriptors del conjunt de la xarxa, per molt detallat que sigui el coneixement dels seus components, i no deixa de ser una aproximació holística. Però l’estudi de les xarxes també està subjecte a consideracions d’escala. Hi ha un interès creixent per captar la variabilitat dins dels nodes, que en el nostre exemple correspon a espècies de plantes i pol·linitzadors. La interpretació d’aquesta variabilitat dins els nodes pot fer que les implicacions energètiques i les constriccions físiques de les interaccions entre nodes s’incorporin aviat a l’anàlisi de les xarxes.

Acabarem amb un exemple. Podem construir una xarxa d’interaccions entre els aeroports del món a partir dels vols que els connecten. Apareixeran hubs o nodes hiperconnectats que estructuren la xarxa. Però en última instància, la causa que limita el creixement ad infinitum d’aquests hubs és la mida dels avions i l’espai que necessiten per moure’s sense provocar col·lisions i perquè els passatgers es desplacin a les aeronaus. Això es tradueix en el temps de connexió entre vols. Si aquest període és molt llarg, acabarà promovent les connexions en un altre aeroport alternatiu. No n’hi ha prou amb dibuixar un mapa de connexions si no introduïm també el cost-benefici energètic i les dimensions físiques dels objectes reals. De nou, ens cal abandonar els models mentals preconcebuts i les pantalles d’ordinador amb les seves infografies i per passejar-nos pel món físic i contemplar les flors de tardor en el seu afany per escoltar el murmuri dels borinots.

, , , , , , , ,

Francisco Lloret
Professor d’Ecologia de la UAB. Investigador del CREAF en temes d’ecologia de la vegetació i canvi global. President de l’Asociación Española de Ecología Terrestre.
Articles relacionats
,
Disponible la CREAF Talk d’Scott Ollinger sobre absorció de nitrogen i carboni als boscos
22 de febrer 2018CREAF
,
El vídeo de la CREAF Talk sobre innovació animal d’en Louis Lefebvre
21 de febrer 2018CREAF
,
Disponible el vídeo de la CREAF Talk sobre incendis de la Cristina Santín i l’Stefan Doerr
13 de febrer 2018CREAF
Socialment IGUALS, Humanament DIFERENTS
12 de febrer 2018CREAF
, ,
Disponible la CREAF Talk de Roderick Dewar sobre patrons macroecològics
2 de febrer 2018CREAF

Follow CREAF on: