Descobrint els factors que determinen la forma dels esculls de coral mitjançant un model matemàtic

• Un nou estudi dirigit per científics de l’IFISC presenta un model matemàtic senzill però potent que explica l'estructura a gran escala dels esculls de coral mitjançant principis ecològics i físics fonamentals.
• La recerca revela com la dinàmica excitant pot generar els patrons espacials que s'observen en els esculls de coral reals, la qual cosa ofereix una nova perspectiva sobre com es desenvolupen i persisteixen aquests ecosistemes vitals.

Com adquireixen els esculls de coral centenaris les seves formes i resistència tan impressionants? En un nou article publicat a Physical Review Research, un equip de l'Institut de Física Interdisciplinària i Sistemes Complexos (IFISC, CSIC-UIB) presenta un marc matemàtic que captura l'essència de la formació dels esculls de coral a escala macro. El model integra processos biològics i físics clau, com el creixement dels corals, la competència pels recursos i l'acumulació d'aragonita (una fase cristal·lina del carbonat càlcic que els corals utilitzen per construir els seus exoesquelets), en un conjunt d'equacions que reprodueixen l'aparició d'estructures d’esculls complexes. 

En el seu estudi, els investigadors de l’IFISC Miguel Álvarez-Alegría, Pablo Moreno-Spiegelberg, Manuel A. Matías, i Damià Gomila demostren que els esculls de coral poden descriure's com a mitjans excitables, un tipus de sistema en el qual petites pertorbacions poden desencadenar grans ones que es propaguen per si mateixes. En altres paraules, els esculls poden generar espontàniament polsos i ones de creixement (molt similars a les ones elèctriques en el teixit cardíac o a la propagació de la vegetació en entorns àrids), la qual cosa dona lloc a estructures espacials autoorganitzades. Sorprenentment, aquests patrons sorgeixen sense dependre de mecanismes clàssics com les inestabilitats de Turing, que han estat l'explicació predominant per a la formació de patrons biològics. 

«El nostre model mostra que la interacció entre el creixement dels corals, la competència i l'acumulació d'aragonita condueix naturalment a un comportament excitable», explica Miguel Álvarez-Alegría, autor principal de l'estudi. «Aquesta dinàmica excitable dona lloc a ones i polsos itinerants que donen forma a l'escull, i que coincideixen estretament amb la diversitat de formes observades en la naturalesa». 

Els investigadors varen dur a terme una anàlisi detallada de les bifurcacions del model (punts crítics en els quals el comportament del sistema canvia dràsticament) amb la variació de dos paràmetres ecològicament significatius: la mortalitat dels corals i les taxes d'erosió de l’aragonita. Aquest enfocament els va permetre traçar un mapa dels diferents règims dinàmics que poden experimentar els esculls de coral, des del creixement estable fins a la propagació d'ones i la formació de patrons. 

Més enllà de la seva elegància teòrica, el model té implicacions pràctiques per comprendre la resiliència i la vulnerabilitat dels esculls de coral en un clima canviant. Quan es vinculen les estructures dels esculls a gran escala amb les retroalimentacions ecològiques subjacents, la recerca ofereix una eina quantitativa per predir com podrien respondre els esculls a amenaces com l'acidificació dels oceans, l'escalfament i les pertorbacions humanes. 

«Els esculls de coral s'enfronten a reptes sense precedents a escala mundial», assenyala Álvarez-Alegría. «El nostre model proporciona una nova perspectiva per a estudiar com es formen i persisteixen aquests ecosistemes, i podria servir de base per a estratègies de conservació destinades a preservar-ne la biodiversitat i les funcions ecològiques úniques», conclou. 

Aquest treball representa un avanç en la modelització matemàtica d'ecosistemes complexos. Com que tendeix un pont entre la teoria ecològica, la física no lineal i les observacions del món real, l'estudi ofereix un nou marc per comprendre com sorgeixen els patrons dels esculls a gran escala. Comprendre aquestes dinàmiques subjacents és un pas clau per desenvolupar estratègies més eficaces i basades en dades per a la conservació i la gestió dels esculls de coral davant el canvi mediambiental global. 

Aquest estudi va aparèixer destacat a Physics 18, s46 (2025), «Internal Feedback Shapes Coral Reefs».

Miguel Álvarez-Alegría, Pablo Moreno-Spiegelberg, Manuel A. Matías, i Damià Gomila, Excitable dynamics and coral reef formation: A simple model of macro-scale structure development, Phys. Rev. Research 7, 023196 (2025). https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.7.023196

• El Diari de la UIB