Ecologistas lutam para controlar 'espécies-chave' | Revista Quanta

A primeira semana de Anne Salomon como estudante de pós-graduação em 2001 não foi o que ela esperava. Enquanto outros novos alunos se dirigiam para aulas introdutórias, Salomon foi levado de van e depois de barco a motor para a Ilha Tatoosh, que fica perto da costa noroeste da Península Olímpica de Washington. Entre as poças de maré desta ilha isolada, Salomon espiou a teia de vida nas rochas: estrelas ocres do mar, cracas, mexilhões, caracóis e algas variadas que assumiam formas que lembravam alface, musgo e plástico bolha.

Uma visita a este afloramento atingido pelas ondas foi um rito de passagem para os colegas de laboratório de Bob Paine. Décadas antes, Paine, armado com um pé-de-cabra, primeiro arrancou Pisaster estrelas do mar - o principal predador do ecossistema - de poças de maré na vizinha Baía de Makah e as jogou no mar para que pudesse aprender quais forças organizavam a comunidade de criaturas que se agarravam às rochas. Os resultados influenciariam profundamente a ecologia, a conservação e a percepção pública da natureza. Depois de três anos sem estrelas do mar, as 15 espécies originalmente presentes nas piscinas diminuíram para oito. Após 10 anos, uma monocultura de mexilhões dominou a costa.

A resultados do experimento de Paine, publicado em O Naturalista Americano em 1966, mostrou que uma única espécie pode ter uma influência descomunal em uma comunidade ecológica. Quando Paine compartilhou suas descobertas com o paleoecologista e conservacionista Estela Leopoldo, ela sugeriu que um conceito poderoso merecia um nome evocativo. Em um artigo subsequente, ele designou o Pisaster estrela do mar uma “espécie-chave”, referindo-se a uma pedra-chave arquitetônica: a pedra em forma de cunha no topo de um arco que, uma vez inserida, evita o colapso da estrutura. “Bob tinha uma mente narrativa bastante poética”, disse Maria Poder, professor emérito da Universidade da Califórnia, Berkeley, que estudou com Paine. (Paine morreu em 2016.)

Salomon, Power e outros estudantes de Paine dedicaram seu trabalho de pós-graduação a refinar o conceito de pedra angular e definir matematicamente a “espécie de pedra angular” ecológica de uma espécie. Mas tal como uma estrela-do-mar a pairar sobre as rochas, a metáfora tomou conta da imaginação científica e pública. Muitos ecologistas e conservacionistas perderam de vista o significado original que Paine havia dado ao termo e começaram a rotular aparentemente todas as espécies importantes como uma pedra angular. Na verdade, uma análise publicada no ano passado descobriu que mais de 200 espécies foram marcadas como pedras angulares. O uso do rótulo tornou-se tão amplo que alguns ecologistas temem que tenha perdido todo o significado.

Os ecologistas hoje estão trabalhando para refinar o significado de “espécies-chave” e defender uma aplicação mais criteriosa. Com uma identificação mais rigorosa das espécies-chave, os decisores políticos podem identificar e salvaguardar melhor as espécies que têm impactos desproporcionais nos ecossistemas, argumentam. E novas aplicações na medicina microbiana poderiam ajudar os biólogos a quantificar com mais precisão a influência de uma espécie-chave, o que poderia beneficiar não apenas os ecossistemas, mas também a saúde humana.

Essencialidade da espécie

Nas décadas anteriores à realização da sua agora famosa experiência, os ecologistas convergiram para a teoria de que as espécies que partilhavam um habitat estavam ligadas numa rede piramidal de quem come quem. No topo estavam predadores raros, que comiam predadores menores ou herbívoros, que consumiam “produtores” abundantes, como plantas ou algas, que eram nutridos diretamente pela luz solar e pela fotossíntese. A estabilidade da rede, pensavam os ecologistas, era controlada de baixo para cima pela disponibilidade dos produtores.

Mas na década de 1960, esse pensamento estava mudando. As comunidades também poderiam ser fortemente influenciadas por predadores? Talvez a vegetação dominasse os ecossistemas não porque os produtores limitassem outras espécies, mas porque os predadores impediam os herbívoros de pastar excessivamente. A experiência de Paine foi uma das primeiras a demonstrar de forma convincente esse controle de cima para baixo em tempo real.

Então o ecologista James Estes documentou como as lontras marinhas nas florestas de algas marinhas da Califórnia desempenharam um papel fundamental semelhante ao das estrelas do mar nas poças de maré de Paine. Em um artigo de 1974 publicado em Ciência, ele descreveu como a lontra marinha, uma única espécie predadora, estruturou a diversidade da comunidade da floresta de algas. As lontras marinhas mantiveram os ouriços-do-mar herbívoros sob controle; sem os predadores, os ouriços pastaram demais e exterminaram todo o conjunto de espécies dependentes de algas.

Estes estudos e a ideia fundamental ganharam destaque no mesmo momento em que emergia a consciência ambiental da América. Em 1973, o Congresso aprovou a Lei das Espécies Ameaçadas, que tomou uma abordagem focada na espécie para conservar a vida selvagem. A ideia de que restaurar a população de uma única espécie — uma pedra angular, talvez — poderia garantir a biodiversidade de uma comunidade ecológica alinhada com este novo quadro jurídico.

Como resultado, o conceito de espécie-chave ganhou vida própria. Cientistas e conservacionistas aplicaram cada vez mais o termo a qualquer espécie considerada importante, descaracterizando a ideia original de Paine. Os principais predadores, como lobos e tubarões, cuja ausência teve impactos drásticos, foram comprovadamente pedras angulares. O mesmo aconteceu com os engenheiros de ecossistemas que alteraram o habitat, como castores, pica-paus, bisões e cães da pradaria. Mas em pouco tempo também surgiram referências científicas a herbívoros fundamentais, plantas fundamentais, polinizadores fundamentais e até patógenos fundamentais. Grupos de espécies consideradas importantes foram rotulados como “guildas fundamentais”.

À medida que a popularidade do termo decolou, os ecologistas trabalharam silenciosamente numa definição matemática das relações entre os nós das espécies numa rede ecológica. Na Ilha Tatoosh, os alunos de Paine continuaram a examinar poças de maré, adicionando ou excluindo espécies para ver quais eram mais importantes para a comunidade. Tomando medidas cuidadosas ao longo de muitos anos, eles quantificaram a capacidade relativa de cada herbívoro de influenciar a capacidade de criação de raízes de algas bebês – uma medida que Paine chamou de “força de interação per capita” e que mais tarde ficou conhecida como “articulação”. Se um organismo tivesse alta keystone, cada indivíduo teria um efeito desproporcionalmente grande em seu ecossistema.

Contudo, a maioria das pessoas não estava seguindo esta nova matemática ecológica. Na década de 1990, alguns ecologistas ficaram alarmados com o facto de o uso excessivo de “espécies-chave” estar a transformar e a diminuir o significado do conceito. Era hora de discutir isso. Em Dezembro de 1994, realizou-se em Hilo, no Havai, uma pequena conferência de ecologistas – alguns que se autoidentificavam como “policiais-chave” – para desenvolver uma definição consensual. Seguindo a matemática de Paine e Power, concordaram que “uma espécie-chave é uma espécie cujos impactos na sua comunidade ou ecossistema são grandes, e muito maiores do que seria de esperar da sua abundância”.

Segundo esta definição, o salmão não é uma espécie fundamental, embora seja ecologicamente importante. “Se você retirar um salmão de um rio, isso não terá um efeito enorme”, disse Salomon. Em contraste, se retirarmos uma estrela do mar de um pedaço de uma zona entremarés, “isso terá um grande efeito”.

A convenção de Hilo foi um esforço digno. Mas isso não impediu os investigadores de nomearem novas pedras angulares nas décadas que se seguiram. “O problema é que não existem padrões aos quais os pesquisadores se submetam ao designar seu organismo de estudo como pedra angular”, disse Bruce Menge, ecologista comunitário da Oregon State University e outro ex-aluno de pós-graduação da Paine. “Qualquer pessoa é livre para sugerir, argumentar ou especular que a sua espécie é uma pedra angular.” E, de facto, uma nova análise revelou recentemente até que ponto o conceito se estendeu.

Somos todos pedras angulares aqui

Em 2021, Ishana Shukla era uma estudante de pós-graduação na Universidade de Victoria que buscava analisar características de espécies-chave. “Ingenuamente pensei que você poderia simplesmente pesquisar no Google uma lista de espécies-chave e uma lista adorável apareceria”, disse ela. Quando ela não conseguiu encontrar um, ela pensou em criar o seu próprio. Ela explorou mais de 50 anos de dados publicados, abrangendo 157 estudos, e identificou 230 espécies consideradas fundamentais. Ela percebeu que, à medida que o conhecimento ecológico avançava, “a função da pedra angular começou a expandir-se cada vez mais”.

Usando uma técnica analítica que organiza itens em grupos relacionados, ela e seus coautores encontrou cinco tipos de espécies-chave: grandes carnívoros vertebrados como tubarões e lobos; comedores de invertebrados, como o ouriço-do-mar e a borboleta-repolho; espécies intermediárias que são predadoras e predadas, como douradas e peixes-cabeça-de-touro; invertebrados que desempenham papéis vitais nas cadeias alimentares, como camarões do norte e abelhas; e pequenos mamíferos que modificam habitats, como o rato-do-gelo e o cão-da-pradaria de cauda preta.

“Identificamos toda uma série de pedras angulares que não estão necessariamente recebendo ações de conservação ou atenção de conservação, mas podemos ver que elas são extremamente importantes para o nosso ecossistema”, disse shukla, agora estudante de doutorado na Universidade da Califórnia, Davis.

“A mensagem mais importante deste artigo foi que as espécies-chave não são todas iguais”, disse Diane Srivastava, um ecologista comunitário da Universidade da Colúmbia Britânica que, enquanto trabalhava na Costa Rica, identificou larvas de libelinhas como espécies-chave na água acumulada dentro das folhas da bromélia. “A percepção pública de uma espécie-chave é que são os grandes mamíferos terrestres… mas, na verdade, a maioria deles não o é. A maioria das espécies-chave são aquáticas. Muitos deles não são predadores. Há um bom número de invertebrados.”

No entanto, o artigo não tentou avaliar se essas espécies eram verdadeiras pedras angulares matemáticas ou não. Em vez disso, disse Menge, Shukla e seus colaboradores apenas resumiram como o termo foi usado e mal utilizado. Dessa forma, a investigação enfatizou, em vez de complicar, “o uso liberal contínuo do termo 'espécies-chave' para se referir a qualquer interator forte que tenha consequências indiretas”, disse ele.

Nenhuma das categorias de Shukla incluía micróbios. Na verdade, Paine e outros não estavam pensando em microrganismos em seus experimentos. E, no entanto, a quantificação da keystone tornou-se o tema de uma nova linha de pesquisa em microbiologia médica.

A pedra angular em seu intestino

Os microbiomas envolvem centenas a milhares de espécies microbianas interagindo em um ecossistema complexo. Então, por que eles não deveriam ter espécies-chave também?

“Presumivelmente, se houver uma espécie-chave, então o sistema poderá ser bastante frágil”, disse Yang Yu Liu, que estuda o microbioma no Brigham and Women's Hospital e na Harvard Medical School. Por exemplo, se os antibióticos matassem o micróbio fundamental do seu intestino, o ecossistema microbiano poderia entrar em colapso e causar complicações de saúde. “É por isso que estou interessado em identificar espécies-chave de comunidades microbianas”, disse ele.

Não é técnica ou eticamente possível remover espécies dos microbiomas humanos, uma por uma, da mesma forma que se arranca estrelas do mar das rochas. Em vez disso, Liu e seus colegas virou-se para IA em artigo publicado em novembro em Ecologia e Evolução da Natureza. Usando dados de bancos de dados de microbiomas intestinais, orais, de solo e de coral, eles treinaram um modelo de aprendizagem profunda para classificar a importância das espécies em comunidades microbianas, observando o que aconteceu com a comunidade depois que cada espécie foi removida de seu microbioma modelo – essencialmente quantificando a pedra angular -ness de cada micróbio.

Na análise de Liu, “não encontramos nenhuma espécie com uma característica angular muito grande”, disse ele. O maior valor calculado foi em torno de 0.2. Com a sua definição de keystone variando entre zero e 1, “0.2 não é realmente um grande número”, disse ele.

Isso não significa que não existam pilares nas comunidades microbianas. Liu acredita que estas comunidades têm níveis muito elevados de redundância funcional – o que significa que múltiplas espécies pode desempenhar funções ecológicas semelhantes e poderiam, portanto, ser intercambiáveis. E algumas espécies podem ter uma elevada qualidade angular não num sentido absoluto, mas em relação ao microbioma de uma determinada pessoa, que é altamente personalizado. “Essas espécies são muito importantes no sentido de que, se forem removidas, o sistema poderá mudar muito”, disse Liu.

Nesse sentido, nas comunidades microbianas, o conceito de espécie-chave depende do contexto. Uma pedra angular num microbioma pode não ser uma pedra angular noutro. “Sinto que este aspecto não foi muito apreciado pelos ecologistas”, disse Liu.

Os ecologistas estão agora a lidar com esta natureza contextual das espécies-chave para além dos micróbios e a ponderar se, e como, o conceito importa no meio da realidade da perda de biodiversidade.

Reavaliando a metáfora

Menge dedicou sua carreira à compreensão da estrutura ecológica da comunidade, continuando a ênfase nas costas rochosas de seu trabalho de pós-graduação com Paine. Ele descobriu que a icônica estrela roxa de Paine não é uma espécie-chave em todos os lugares. Apresenta uma distorção mais forte em alguns locais, por exemplo, em poças de maré mais intensamente batidas pelas ondas. “Na verdade, em locais mais protegidos, a estrela do mar não é realmente uma pedra angular”, disse ele.

Paine passou a aceitar isso também. No Alasca, onde o mexilhão preferido pelas estrelas roxas do sul está ausente, o predador é “apenas mais uma estrela do mar”, Power lembrou Paine ter dito.

O facto de as espécies-chave serem dependentes do contexto e variarem no espaço e no tempo é “perdido em estudos de curto prazo”, disse Menge.

Ainda assim, Srivastava não está pronto para descartar o conceito. Embora o foco nas pedras angulares e nas espécies únicas possa ter distraído os decisores políticos e os conservacionistas de abordagens mais holísticas à conservação, proteger e restaurar uma única espécie pode por vezes beneficiar muitas outras espécies num ecossistema. “Isso não significa que nos apressamos em salvar espécies-chave e ignoramos a diversidade do sistema como um todo”, disse ela.

Srivastava também enfatizou que as pedras angulares não são a única forma de estabilizar os sistemas. “Os ecologistas pensam agora que algumas das interações mais importantes em termos de estabilidade são, na verdade, interações relativamente fracas”, disse ela. “Se você tem um grande número de espécies que interagem fracamente, é como ter um monte de estacas amarrando sua barraca durante uma tempestade de vento. Isso dissipa algumas das perturbações.”

Menge concorda amplamente. Em meio a uma perda global de espécies, o foco principal deveria ser a proteção dos habitats e da biodiversidade, e não das espécies individuais, disse ele. “Se essas duas coisas foram feitas em lugares suficientes, então não tenho certeza de que a ideia da espécie-chave seja tão crítica.”

Talvez uma pedra angular seja mais importante que as outras. Em um dos artigos finais de Paine, publicado em 2016, no dia de sua morte, ele e o ecologista Boris Vermes propôs que os humanos são um “espécies hiperkeystone”- aquele que exerce efeitos profundos através da exploração de outras pedras angulares.

Os humanos não podem ser removidos do sistema como as estrelas do mar para quantificar o nosso impacto. Mas podemos aprender como reduzir a nossa distorção através de práticas e políticas de conservação eficazes, disse Salomon. “Também temos a capacidade de aprender a nos administrar.”

Essa é uma das razões pelas quais os ecologistas continuam a redefinir e reconsiderar as espécies-chave. O símbolo poderoso não vai a lugar nenhum, mas com uma definição melhorada, as pessoas poderiam aprender como aplicá-lo melhor.

Paine sabia disso. Salomon gosta de compartilhar suas palavras com seus alunos: “Você não consegue administrar por ignorância. É preciso saber o que as espécies fazem, quem comem, qual o papel que essas espécies de presas desempenham. Quando você sabe disso, você pode tomar algumas decisões inteligentes.”