1 Heterogeneidad y dependencia espacial como evidencia de procesos de auto-organización y auto-producción en la naturaleza Dr. Marcelo Miranda Salas Departamento de Ecosistemas y Medio Ambiente Pontificia Universidad Católica de Chile Presentado en Instituto Matríztica-Chile 05 de Enero de 2012 Nuevos componentes Límite pared celular Entradas Salidas Re d Reacciones metabólicas Determinan Producen generan

2 Motivación Aceptamos cambios ambientales y organización espacio-temporal de la productividad de bosques (matorrales, praderas, mares...). Conceptos fundamentales como célula, autopoiesis, propiedades emergentes y la posible relación entre dominio molecular y espectral Estadística espacial y teledetección como herramientas para describir estructura espacial de procesos. Presencia de escalas espaciales y temporales procesos de autorregulación en ecosistemas. Comprobar una constante en la naturaleza: isotropía y anisotropía espacial en procesos naturales.

3 Plantas, Bosques y Productividad Que observamos cuando observamos? ¿Que se ama cuando se ama? (Poeta Gonzalo Rojas….)

4 Parte I Células, Autopoiesis, Espectro y Productividad Nuestra filosofía

5 Plantas, bosques y productividad (I) Unidad fundamental de la vida: Célula –agrupamiento armónico de moléculas que confieren propiedades características de la vida (crecimiento, reproducción, movimiento…) –Sistema Autopoietico en un dominio molecular capas de autogenerarse a si mismo al interior de una frontera o límite –Interactúan con el medio (proceso cognitivo, acoplamiento estructural con el medio, a la deriva, permite su existencia) Su agrupación permite generar niveles superiores de organización (singularidades de la naturaleza con nuevas propiedades como especies, bosques, usted y yo)

6 Plantas, bosques y productividad (II) Cloroplastos: –orgánulos celulares relacionados con fotosíntesis –1 célula de empalizada ≈> 200 cloroplastos –1 mm 2 ≈ 400.000 cloroplastos –Clorofila a + b ≈ 5 a 10% Nuevos componentes Límite pared celular Entradas Salidas Red Reacciones metabólicas Determinan Producen generan www.blogdebiologia.com.ar

7 Plantas, bosques y productividad (III) Hoja: –Interacción de unidades autopoieticas –Cada una en un acoplamiento estructural único, a la deriva (con otras unidades y el medio => nicho) –El nicho del nicho del nicho => propiedad emergente que conocemos como hoja –Presente en el dominio molecular y espectral Nuevos compon entes Límit e pare d celul ar Entr adas Salid as RedRed Reacci ones metab ólicas Determinan Producen generan Nuevos compon entes Límit e pare d celul ar Entr adas Salid as RedRed Reacci ones metab ólicas Determinan Producen generan Nuevos compon entes Límit e pare d celul ar Entr adas Salid as RedRed Reacci ones metab ólicas Determinan Producen generan Nuev os comp onen tes Lí mit e pa re d cel ula r En tra da s Sa lid as RedRed Rea ccio nes met aból icas Determinan Producen generan

8 Plantas, bosques y productividad (III) Clorofila a y b en hojas: –Moléculas responden al espectro electromagnético –Absorben protones para fotosíntesis (en el rojo) Parénquima – refleja en infrarojo Existe un balance entre lo que se absorbe en R y se refleja en IR Podemos observar el dominio molecular desde el dominio espectral (relación con imágenes) Podemos observar una parte del dominio molecular (clorofila – parénquima) perteneciente a una grupo de unidades autopoieticas Su estado es producto del acoplamiento estructural con el medio IR R

9 Índices de Vegetación (IV) (relaciones rojo-infrarojo)

10 Índices de Vegetación NDVI ≈ FPAR ≈ GPP ≈ LAI ≈ BM GPP proceso “costoso” para las plantas GPP refleja como los individuo interactúan con una condición ambiental GPP es diferencial en el espacio y el tiempo

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12 nuestras constataciones nuestras constataciones Parte II Organización espacial de plantas, árboles y bosques

13 Organización espacial de plantas, árboles y bosques Productividad responde a procesos de autoorganización continua. –Ocurren en el espacio y tiempo. –Responde a una jerarquía natural y estructurada. Se relaciona con una serie de factores. –Ambientales directos e indirectos (dinámica). –Humanos asociados al “Manejo o uso”. Producen heterogeneidad y patrones espaciales de distribución

14 Auto organización continua

15 Factores condicionantes

16 Producto de esta organización espacial Se forman patrones de productividad en bosques que conforman: –Parches de productividad de diferentes dimensiones Valores de volumen, altura de árboles, biomasa –Varían en forma y dirección con el tiempo Isotropía, anisotropía Para un parámetro específico de productividdad: Su expresión se presenta como grado de dependencia espacial (isotropica o anisotropica)

17 Gradientes y parches en variables ambientales (Muller 1989)

18 Dependencia espacial o autocorrelación Autocorrelación:Autocorrelación: Una de las propiedades generales de las variables ambientales que es posible de observar en el espacio y el tiempo (Legendre, 1993). Propiedad estadística de una variable que toma valores, “para un par de sitios a una distancia dada”, más iguales (positiva) o menos iguales (negativa) que los valores esperados para un par aleatorio. Primera ley geografía (Tobler, 1974): “TODAS LAS COSAS ESTA RELACIONADAS CON TODAS LAS COSA, PERO COSAS CERCANAS ESTÁS MÁS RELACIONADAS QUE COSAS LEJANAS”

19 Dependencia espacial o autocorrelación “TODAS LAS COSAS ESTA RELACIONADAS CON TODAS LAS COSA, PERO COSAS CERCANAS ESTÁS MÁS RELACIONADAS QUE COSAS LEJANAS”, PERO Esta relaciones está asociada a la DISTANCIA y la DIRECCIÓN. relación ISOTROPICASi la relación depende solo de la distancia = relación ISOTROPICA relación ANISOTRÓPICASi la relación depende además de la dirección = relación ANISOTRÓPICA

20 Formas de medir la estructura espacial (I) Dos formas de estudiar los patrones espaciales (propiedades estructurales de un fenómeno) –Análisis de patrones de puntos relacionado con la distribución de objetos Se compara un patrón de interés con un proceso aleatorio –Análisis de patrones de superficie relacionados con procesos continuos Se dispone de un muestreo que representa la variable en estudio (p.e. NDVI, biomasa, etc)

21 Formas de medir la estructura espacial (II)

22 Descripción de patrones espaciales (Variograma) (Variograma) Semivarianza: Diferencia media entre las medidas de una variable espaciadas a una distancia h Variograma: Presencia de patrones: parches o gradientes Échelle (Distance) Patrons de var. (semivariance) Patchs Gradients Dispersion Variogramme h h h

23 nuestra filosofía + nuestras constataciones nuestra filosofía + nuestras constataciones Partes I + II Patrones espacio-temporales de la productividad como evidencia de sistemas autopoieticos ¿Es posible establecer una relación entre los patrones espaciales y temporales de la productividad de plantas, árboles y bosques, observados en el espectro electromagnético, y las unidades autopoieticas de las cuales ellos derivan?

24 TRES EJEMPLOS Micro cuenca : Anisotropía en Pinus radiata Concepción Chile. Meso escala: Anisotropía en Acacia caven VI región, chile. Meso escala: Variabilidad espacio temporal vegetación urbana de Santiago.

25 Ejemplo: Micro cuenca, concepción chile

26 Autocorrelación y anisotropía (1ra ley) Altura de árboles Elevación PendienteOrientación Aster banda 3

27 Resultado curioso….. +/- 135°

28 Codispersión (relación espacial entre 2 variables) ¿Que condiciona esta relación sobre el espacio? ¿Factores de influencia directa e indirecta? (fisiografía y suelos) ¿Autoorganización jerárquica de factores? (Régimen de pp, t°, vientos y dirección de lluvias) Evidencia de acoplamiento estructural de SAP

29 Anisotropía espacio-temporal de Índice de Vegetación en Acacia caven VI región, chile

30 Distribución de las comunidades de espinos en el área de estudio por rango de EVI. a) Verano: 25 de febrero de 2004. b) Invierno: 04 de agosto de 2004. Sectores más rojos indican mayor productividad primaria potencial a partir de índice de vegetación (relación rojo-infra-rojo) Esto responde a la cantidad de Clorofila y parénquima en el paisaje

31 Variación temporal del índice de vegetación (relación rojo-infra-rojo). Esto responde a la cantidad de Clorofila y parénquima en el paisaje (cantidad molecular) en función del tiempo. Las estaciones del año son claras donde en Otoño existiría menos clorofila y en primavera el máximo (autopoiesis?).

32 Comportamiento de EVI versus meseta (variabilidad espacial) en verano, otoño, invierno y primavera. En otoño existe menos clorofila y menos parénquima pero distribuidos más homogéneos en el paisaje. En invierno existe más clorofila y más parenquima pero más heterogéneo en el paisaje (autopoiesis?)

33 Variación del EVI en el espacio y tiempo: Semivarianza (cartograma) ENERO 2005ABRIL 2005 JULIO 2005 OCTUBRE 2005 ¿Que condiciona estas direcciones espaciales en el tiempo? ¿Factores de influencia directa e indirecta? (Frentes de precipitación, vientos, fisiografía y suelos) ¿Otra ves autoorganización jerárquica de factores? Acoplamiento estructural de conjunto de unidades autopoieticas?

34 VARIABILIDAD TEMPORAL Y ESPACIAL DEL FUNCIONAMIENTO DE LA VEGETACIÓN EN EL CASCO URBANO DE SANTIAGO

35 ÍNDICE DE MORAN SEMIVARIANZA

36 Disminución de NDVI anual para Santiago

37 NDVI Análisis ANISOTROPICO ¿Que condiciona estas direcciones espaciales en el tiempo? ¿Factores de influencia directa e indirecta? (Desarrollo inmoviliario) ¿Otra ves autoorganización jerárquica de factores?

38 Ir más lejos todavía Imagen WMAP ( Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) Fondo Cósmico de Micro Ondas (muy frío) Luz más antigua del universo Partículas, moléculas cercanas a 0°k No es homogéneo Se forman parches y gradientes! Igual que en bosques, matorrales y mares…

39 CONCLUSIONES Las de ustedes!

40 GRACIAS