Il 1920 è l’anno della prima pubblicazione delle celebri equazioni di Lotka-Volterra, che descrivono matematicamente la dinamica predatore-preda e sono considerate tra le fondamenta dell’ecologia teorica. Questa disciplina, che unisce biologia, matematica e fisica, si propone di scoprire ed esprimere attraverso un formalismo matematico le leggi che governano l’evoluzione degli ecosistemi. A oltre un secolo di distanza, i meccanismi generali alla base della biodiversità negli ecosistemi sono ancora in gran parte da esplorare.

Nel corso dello scorso anno, il gruppo di fisici teorici del National Biodiversity Future Center (NBFC) e appartenenti al Laboratorio di Fisica Interdisciplinare del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova, ha compiuto importanti progressi nella comprensione delle leggi fisiche che regolano e stabilizzano l’equilibrio tra specie diverse, permettendone la coesistenza.

In due articoli pubblicati sulla prestigiosa rivista di fisica Physical Review Letters, i fisici del NBFC hanno affinato e generalizzato una tecnica matematica nota come teoria di campo medio dinamico, adattandola allo studio degli ecosistemi. Questa metodologia consente di ridurre un gran numero di equazioni “accoppiate” – ovvero intrecciate tra loro e quindi estremamente difficili da risolvere o simulare al computer – a un’unica equazione effettiva, che sintetizza le proprietà fondamentali dell’evoluzione di ecosistemi composti da un gran numero di specie, delle quali si conoscono le caratteristiche solo in senso statistico. Tale tecnica si rivelerà preziosa per sviluppare modelli capaci di fare previsioni sulla stabilità degli ecosistemi di fronte a perturbazioni, come l’invasione di specie aliene o le variazioni nelle condizioni ambientali.

Un ulteriore articolo, recentemente pubblicato sulla prestigiosa rivista scientifica americana Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, ha presentato un modello matematico in grado di fornire una risposta esplicita a un problema fondamentale: dato un ambiente “frammentato” da una serie di barriere ecologiche – quali fiumi, montagne o altre conformazioni del terreno – e un insieme di specie (animali, vegetali, o microscopiche) con differenti capacità di esplorazione, riproduzione e persistenza, quale sarà l’esito finale dell’interazione tra di esse? Si assisterà alla coesistenza delle specie, o emergerà la dominanza di una sola o poche fra loro? Il modello, sviluppato dal gruppo di fisici del NBFC in collaborazione con scienziati del Politecnico e dell’Università di Losanna, fornisce una risposta a questa domanda, purché siano note la struttura dell’ambiente e i parametri delle specie, ovvero le quantità matematiche che ne descrivono le proprietà. Grazie a questo strumento, i ricercatori hanno studiato il ruolo della conformazione dell’ambiente nella formazione di nicchie ecologiche, che favoriscono la biodiversità. Il modello ha inoltre evidenziato che uno dei principali segnali di allarme per la destabilizzazione di un ecosistema, con il rischio di estinzione di una o più specie, è la distribuzione spaziale delle specie: quanto i loro individui sono uniformemente sparpagliati nell’ambiente o, invece, concentrati in poche aree limitate. In futuro, questo modello teorico potrà contribuire a prevedere l’impatto di modifiche ambientali sulla stabilità degli ecosistemi e a supportare strategie di conservazione della biodiversità.