Revista de Biología Tropical (Jun 2002)
Concepts and approaches for marine ecosystem research with reference to the tropics
Abstract
The present article gives an overview on the leading concepts and modelling approaches for marine ecosystems’ research including (1) The trophodynamic theory of pelagic ecosystems, (2) Compartment/network models, (3) Mesocosm experiments and (4) Individual based modelling approaches and virtual ecosystems (VE). The main research questions addressed, as well as the potential and limits of each approach, are summarized and discussed and it is shown how the concept of ecosystem has changed over time. Aquatic biomas spectra (derived from the theory of pelagic ecosystems) can give insight into the trophic structure of different systems, and can show how organism sizes are distributed within the system and how different size groups participate in the system’s metabolism and production. Compartment/network models allow for a more detailed description of the trophic structure of ecosystems and of the energy/biomass fluxes through the explicit modelling of P/B-and food consumption rates and biomasses for each system compartment. Moreover, system indices for a characterization and comparison with other systems can be obtained such as average trophic efficiency, energy throughput, and degree of connectivity, degree of maturity, and others. Recent dynamic extensions of trophic network models allow for exploring past and future impacts of fishing and environmental disturbances as well as to explore policies such as marine protected areas. Mesocosm experiments address a multitude of questions related to aquatic processes (i.e. primary production, grazing, predation, energy transfer between trophic levels etc.) and the behaviour of organisms (i.e. growth, migration, response to contaminants etc.) under semi-natural conditions. As processes within mesocosms often differ in rate and magnitude from those occurring in nature, mesocosms should be viewed as large in vitro experiments designed to test selected components of the ecosystem and not as an attempt to enclose a multitude of interacting processes. Models that use individual organisms as units can provide insight into the causes of natural variability within populations (growth, phenotype, behaviour) and into the role of intraspecific variation for interspecific processes, succession, and feedback mechanisms. In biological oceanography, interdisciplinary research is increasingly using "Virtual Ecosystems" to simulate non-linear interactions between the dynamics of fluctuating ocean circulation, the physics of air-sea interaction, turbulence and optics, biogeochemistry, and the physiology and behaviour of plankton, which can be compared with real observations. The different approaches available for the analysis of aquatic ecosystems should be seen as complementary ways for the description and understanding of ecosystems. The modern view of marine ecosystems, as has emerged from ecosystem analysis over the last decades, is that of a composite of loosely coupled subsystems of desynchron dynamics which through their combined action maintain the fundamental structure and function of the wholeEste artículo es una revisión de los conceptos y enfoques predominantes en la modelación e investigación de los ecosistemas marinos, tales como: (1) la Teoría Trofodinámica de ecosistemas pelágicos, (2) modelos de compartimentos/ red (compartment/network models), (3) experimentos de mesocosmos, y (4) modelos basados en enfoques individuales y ecosistemas virtuales. Se resumen y discuten preguntas relevantes para la investigación así como las limitaciones de cada enfoque, y se muestra como el concepto de ecosistema ha cambiado a través del tiempo. El espectro de biomasa acuática (obtenido de la teoría de ecosistemas pelágicos) puede revelar la estructura trófica de los diferentes ecosistemas; puede mostrar como el tamaño de los organismos se distribuyen dentro del ecosistema y como los diferentes grupos, de acuerdo al tamaño, participan en el metabolismo y producción del mismo. Los modelos de compartimentos/redes permiten describir más detalladamente la estructura trófica y el flujo de energía-/ biomasa en los ecosistemas, particularmente, con el modelamiento explícito de P/B y las tasas de consumo de alimento y biomasa de cada compartimento. Además, se pueden obtener índices para la caracterización y comparación entre sistemas, como por ejemplo la eficiencia trófica promedio, el rendimiento energético, los grados de conectividad y de madurez, y otros. Novedosas ampliaciones dinámicas de los modelos tróficos de red, permiten explorar los impactos pasados y futuros de las pesquerías y de las perturbaciones ambientales, así como sondear políticas de manejo como por ejemplo, las áreas marinas protegidas. Los experimentos de mesocosmos tratan con una multitud de preguntas relacionadas con procesos acuáticos (i.e. producción primaria, pastoreo, depredación, paso de energía entre niveles tróficos, etc.) y el comportamiento de los organismos (i.e. crecimiento, migración, reacción a los contaminantes, etc.) bajo condiciones seminaturales. Como los procesos dentro del mesocosmos frecuentemente difieren de los naturales en tasa y magnitud, éstos deberán ser considerados como grandes experimentos in vitro, diseñados para probar selectos componentes del ecosistema y no como intentos de abarcar múltiples procesos interactivos. Los modelos que utilizan organismos individuales como unidades, pueden revelar las causas de la variabilidad natural dentro de las poblaciones (crecimiento, fenotipo, comportamiento) y del papel de la variación intraespecífica de los procesos interespecíficos, de la sucesión y de los mecanismos retroactivos. Los ecosistemas virtuales están siendo utilizados ampliamente en la investigación interdisciplinaria dentro de la oceanografía biológica para simular interacciones no lineares entre las fluctuaciones dinámicas de la circulación oceánica, la física de las interacciones aire- mar, turbulencia y óptica, biogeoquímica, y en la fisiología y comportamiento del plancton. Todos estos aspectos pueden ser comparados con observaciones reales. Los diferentes enfoques disponibles para el análisis de ecosistemas acuáticos deberán ser considerados como medios complementarios para la descripción y comprensión de los ecosistemas. La perspectiva actual de los ecosistemas marinos es el resultado del análisis de ecosistemas durante las últimas décadas, y es la de un compuesto de subsistemas poco acoplados de dinámicas desincronizadas que mantienen la función y estructura fundamental del todo a través de la acción combinada
