miniaturadaimagem|300x300px|Modelo do Fluxo de Energia entre a Biosfera na Terra, sua principal fonte de energia (Sol) e o Universo. Ecologia teórica é a abordagem ou subárea da Ecologia dedicada ao estudo de sistemas ecológicos usando métodos teóricos. A partir de pressupostos, analogias, modelos científicos, simulações computacionais e análise avançada de dados, ela produz e testa hipóteses sobre a montagem (assembly), estrutura e propriedades emergentes das populações, comunidades e ecossistemas.
Modelos eficazes melhoram a compreensão do mundo natural ao revelar as condições e processos fundamentais de um determinado fenômeno biológico. Além disso, o campo visa unificar uma gama diversificada de observações empíricas, assumindo que processos comuns e mecanicistas geram fenômenos observáveis nos ambientes ecológicos. Com base em suposições simplificadoras, ecologistas teóricos são capazes de ter ideias novas e não intuitivas sobre os processos naturais. Os resultados teóricos são frequentemente verificados por estudos empíricos e observacionais, o que auxilia a pesquisa científica na área, revelando o poder dos métodos teóricos, tanto na previsão, quanto na compreensão de fenômenos tão diversos e com confundidores. miniaturadaimagem|Diagrama de Ecologia Metabólica. Representação de como massa corporal e temperatura influenciam o metabolismo dos indivíduos (1), que por sua vez afeta a distribuição de metabólitos (2), a produção de biomassa, crescimento, mortalidade e sobrevivência. Esses fatores determinam a dinâmica das populações, incluindo densidade e diversidade (3), que se integram em ecossistemas por meio de redes tróficas (4) e competição por recursos (5). O ecossistema retroalimenta o sistema por meio da produção primária e do fluxo de carbono (6). Esquema traduzido da Wikimedia Commons do usuário Sduee O campo é amplo e inclui fundamentos em matemática aplicada, ciência da computação, biologia, física estatística, biofísica, genética, química, evolução e biologia da conservação. A ecologia teórica visa explicar uma gama de fenômenos nas ciências da vida, como crescimento e dinâmica populacional, comportamento animal, teias alimentares, ecossistemas, ecologia espacial e os efeitos das mudanças climáticas.
É importante ressaltar que essas ferramentas modernas fornecem previsões quantitativas sobre os efeitos das mudanças ambientais induzidas pelo homem em uma grande variedade de fenômenos ecológicos, como invasões de espécies, mudanças climáticas, o efeito da pesca e da caça na estabilidade da rede alimentar e o ciclo do carbono. Atualmente, essa subárea da Ecologia constitui uma das principais fontes de informação para políticas públicas baseadas em evidências, sobretudo no que tange conservação da biodiversidade e exploração sustentável de recursos naturais.
História As abordagens e métodos da ecologia teórica provêm, em grande parte, de estudos em matemática aplicada e biofísica, como a Equação de Lotka-Volterra, em 1925. Porém, até meados do século XX, conceitos "organicistas", ou seja, que os organismos são coordenados para manter os ambientes funcionando, como um "superorganismo", predominavam na História da Ecologia, sendo considerada teleológica e tornando difícil o desenvolvimento de hipóteses testáveis. Com isso, a maior parte dos estudos ecológicos se baseava na descrição de casos e fenômenos, até que alguns autores, como Lindeman e Novikoff, no início da década de 40, começaram a descrever as características das comunidades e ecossistemas como consequência das interações dos indivíduos entre si e com seu ambiente, definindo-as como "redes biofísicas" cujos componentes não tem como "finalidade" manter essas redes de interação, o que mais tarde seria incorporado às teorias de sistemas complexos como emergência.
Segundo alguns autores, a Ecologia Moderna e sua subárea em questão teriam início a partir em 1948, com a publicação do artigo "Sistemas de Causalidade Circular em Ecologia" (Circular Causal Systems in Ecology), do ecólogo George Evelyn Hutchinson (que teve como alunos grandes ecólogos teóricos, como Robert MacArthur). O motivo disso é que, diferentemente de trabalhos anteriores, nele o autor coloca os sistemas ecológicos não só como entidades que são resultado das interações de seus componentes bióticos e abióticos, como também redes nas quais quaisquer efeitos sobre algum desses componentes gera um efeito em todos os demais, e vice-versa.
Utilizando-se de diversos exemplos de ciclos biogeoquímicos e demográficos, as ideias de Hutchinson trouxeram credibilidade para uma abordagem teórica da Ecologia. Com isso, as metáforas e descrições finalistas dos sistemas ecológicos passaram a ter uma função heurística, valorizando-se trabalhos em Ecologia com fins mais pragmáticos e etiológicos. Nesse contexto, a partir do avanço teórico e técnico vislumbrado entre o fim do século XX e início do XXI, a abordagem de redes ecológicas se tornou crescente, bem como o papel importante das forças que atuam no sentido top-down ("de cima para baixo", como do nível do ecossistema até o indivíduo), e não só no sentido tradicional bottom-up ("de baixo para cima", como do DNA dos organismos até o ecossistema), para a montagem das interações ecológicas, a evolução dos indivíduos e assim por diante.
Ecologia de Populações A ecologia de populações é um subcampo da ecologia que trata da dinâmica das populações de espécies e de como essas populações interagem com o meio ambiente . É o estudo de como o tamanho populacional muda ao longo do tempo e do espaço. Foi um dos primeiros aspectos da ecologia a ser estudado e modelado matematicamente.
Crescimento exponencial O crescimento exponencial é um modelo de dinâmica populacional que depende apenas do tamanho da população e da taxa de crescimento do organismo. Ela pode ser representada pela seguinte equação exponencial:
Essa trajetória, descrita pela equação, é conhecida como crescimento malthusiano, em homenagem a Thomas Malthus, que descreveu pela primeira vez sua dinâmica em 1798. Uma população que experimenta crescimento Malthusiano segue uma curva exponencial, onde é o tamanho inicial da população. A população cresce quando e diminui quando . O modelo é mais aplicável em casos onde alguns organismos começaram uma colônia e estão crescendo rapidamente sem quaisquer limitações ou restrições que impeçam seu crescimento (por exemplo, bactérias inoculadas em meios ricos).
Crescimento logístico O crescimento logístico nasce através de uma modificação simples do crescimento exponencial, assume-se que a taxa de crescimento intrínseca varia com o tamanho da população. Isso é razoável: quanto maior o tamanho da população, menos recursos disponíveis, o que pode resultar em uma menor taxa de natalidade e maior taxa de mortalidade.
A equação diferencial que incorpora essas mudanças é dada por:
Isto pode ser reescrito como: miniaturadaimagem|Crescimento logístico atingindo a capacidade de suporte (K)
onde e .
O significado biológico de K se torna aparente quando as estabilidades dos equilíbrios do sistema são consideradas. A constante é a capacidade de suporte da população. Os equilíbrios do sistema são e . Se o sistema for linearizado, pode-se observar que é um equilíbrio instável enquanto é um equilíbrio estável. Moss R, Watson A and Ollason J (1982) Animal population dynamics Springer, page 52–54. .
Crescimento populacional estruturado Outra suposição do modelo de crescimento exponencial é que todos os indivíduos dentro de uma população são idênticos e têm as mesmas probabilidades de sobreviver e se reproduzir. Esta não é uma suposição válida para espécies com histórias de vida complexas. O modelo de crescimento exponencial pode ser modificado para levar isso em conta, rastreando o número de indivíduos em diferentes classes etárias (por exemplo, crianças de um, dois e três anos) ou diferentes classes de estágios (juvenis, subadultos e adultos) separadamente, e permitindo que os indivíduos em cada grupo tenham suas próprias taxas de sobrevivência e reprodução. A forma geral deste modelo é dada por:
Na qual N t é um vetor do número de indivíduos em cada classe no tempo t e L é uma matriz que contém a probabilidade de sobrevivência e fecundidade para cada classe. A matriz L é chamada de matriz de Leslie para modelos estruturados por idade e de matriz de Lefkovitch para modelos estruturados por estágio.
Se os valores dos parâmetros em L forem estimados a partir de dados demográficos de uma população específica, um modelo estruturado pode ser usado para prever se essa população deverá crescer ou diminuir no longo prazo e qual será a distribuição etária esperada dentro da população. Isto foi feito para uma série de espécies, incluindo tartarugas marinhas cabeçudas e baleias francas.
Atualidades sobre ecologia de populações miniaturadaimagem|Predadores e presas em equilíbrio segundo modelagem de Lotka-Volterra A ecologia de populações possui aplicações práticas no cotidiano, visando a melhoria de processos que envolvem populações distintas. Segundo estudos do Instituto Biológico, as joaninhas estão sendo usadas como controle biológico em lavouras contra os pulgões para diminuir a população desses afídeos que se alimentam de hortaliças como Alface e Couve. Tal controle limita o uso de produtos químicos na plantação Isso exemplifica uma interação predador presa que segue um modelo de Lotka Volterra segundo o qual as populações entram em um equilíbrio. miniaturadaimagem|A arara azul (Anodorhynchus hyacinthinus) é uma ave nativa do Brasil. Atualmente é considerada "Vunerável" segundo a IUCN Outro exemplo de uso de ecologia de populações é para a análise de tamanho, taxa de natalidade ou mortalidade e viabilidade populacional, a fim de orientar as estratégias de conservação e reintrodução da espécie na natureza. Isso acontece com diversas espécies ameaçadas para conservar sua biodiversidade e evitar que sua população entre em um gargalo populacional. A arara azul é um desses exemplos dos quais há um esforço governamental e científico para a sua conservação. Esses estudos visam a conservação da população de araras azuis nativas, mas principalmente no Pantanal que abriga a maior biodiversidade da espécie.
Ecologia Evolutiva
A Ecologia Evolutiva é a área que busca relacionar Ecologia e Biologia Evolutiva. A relação é fácil de ser estabelecida, uma vez que a Biologia Evolutiva se relaciona praticamente com todas as demais áreas da Biologia. Esse fato foi evidenciado por Theodosius Dobzhansky, biólogo geneticista que em 1973 publicou um artigo bastante contundente com o título "Nada em Biologia faz sentido exceto à luz da Evolução". Descrever as interações ecológicas e colocá-las em um contexto evolutivo, buscando entender como essas interações influenciam a aptidão (medida em termos de sobrevivência e reprodução) é tarefa da Ecologia Evolutiva.
Evolução em ambientes heterogêneos