Descubriendo los factores que determinan la forma de los arrecifes de coral mediante un modelo matemático

• Un nuevo estudio dirigido por científicos del IFISC presenta un modelo matemático sencillo pero potente que explica la estructura a gran escala de los arrecifes de coral utilizando principios ecológicos y físicos fundamentales.
• La investigación revela cómo la dinámica excitante puede generar los patrones espaciales que se observan en los arrecifes de coral reales, lo que ofrece una nueva perspectiva sobre cómo se desarrollan y persisten estos ecosistemas vitales.

¿Cómo adquieren los arrecifes de coral centenarios sus impresionantes formas y resistencia? En un nuevo artículo publicado en Physical Review Research, un equipo del Instituto de Física Interdisciplinar y Sistemas Complejos (IFISC, CSIC-UIB) presenta un marco matemático que captura la esencia de la formación de los arrecifes de coral a escala macro. El modelo integra procesos biológicos y físicos clave, como el crecimiento de los corales, la competencia por los recursos y la acumulación de aragonita (una fase cristalina del carbonato cálcico que los corales utilizan para construir sus exoesqueletos), en un conjunto de ecuaciones que reproducen la aparición de estructuras arrecifales complejas.

En su estudio, los investigadores del IFISC Miguel Álvarez-Alegría, Pablo Moreno-Spiegelberg, Manuel A. Matías, y Damià Gomila demuestran que los arrecifes de coral pueden describirse como medios excitables, un tipo de sistema en el que pequeñas perturbaciones pueden desencadenar grandes ondas que se propagan por sí mismas. En otras palabras, los arrecifes pueden generar espontáneamente pulsos y ondas de crecimiento (muy similares a las ondas eléctricas en el tejido cardíaco o a la propagación de la vegetación en entornos áridos), lo que da lugar a estructuras espaciales autoorganizadas. Sorprendentemente, estos patrones surgen sin depender de mecanismos clásicos como las inestabilidades de Turing, que han sido la explicación predominante para la formación de patrones biológicos.

«Nuestro modelo muestra que la interacción entre el crecimiento de los corales, la competencia y la acumulación de aragonita conduce naturalmente a un comportamiento excitable», explica Miguel Álvarez-Alegría, autor principal del estudio. «Esta dinámica excitable da lugar a ondas y pulsos itinerantes que dan forma al arrecife, coincidiendo estrechamente con la diversidad de formas observadas en la naturaleza». 

Los investigadores llevaron a cabo un análisis detallado de las bifurcaciones del modelo (puntos críticos en los que el comportamiento del sistema cambia drásticamente) variando dos parámetros ecológicamente significativos: la mortalidad de los corales y las tasas de erosión del aragonito. Este enfoque les permitió trazar un mapa de los diferentes regímenes dinámicos que pueden experimentar los arrecifes de coral, desde el crecimiento estable hasta la propagación de ondas y la formación de patrones.

Más allá de su elegancia teórica, el modelo tiene implicaciones prácticas para comprender la resiliencia y la vulnerabilidad de los arrecifes de coral en un clima cambiante. Al vincular las estructuras de los arrecifes a gran escala con las retroalimentaciones ecológicas subyacentes, la investigación ofrece una herramienta cuantitativa para predecir cómo podrían responder los arrecifes a amenazas como la acidificación de los océanos, el calentamiento y las perturbaciones humanas.

«Los arrecifes de coral se enfrentan a retos sin precedentes a nivel mundial», señala Álvarez-Alegría. «Nuestro modelo proporciona una nueva perspectiva para estudiar cómo se forman y persisten estos ecosistemas, y podría servir de base para estrategias de conservación destinadas a preservar su biodiversidad y sus funciones ecológicas únicas», concluye.

Este trabajo representa un avance en la modelización matemática de ecosistemas complejos. Al tender un puente entre la teoría ecológica, la física no lineal y las observaciones del mundo real, el estudio ofrece un nuevo marco para comprender cómo surgen los patrones de los arrecifes a gran escala. Comprender estas dinámicas subyacentes es un paso clave para desarrollar estrategias más eficaces y basadas en datos para la conservación y la gestión de los arrecifes de coral ante el cambio medioambiental global.

Este estudio apareció destacado en 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

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