Uso de modelos e simulação

A modelagem de ecossistemas é uma modelagem teórica eminentemente multidisciplinar, pois reúne profissionais de várias disciplinas como a Biologia, a Física e a Química, cada uma focando em determinados aspectos dos muitos processos observados em ecossistemas. Assim, ao incluir métodos explicativos oriundos da Física e da Química, os ecossistemas passaram a ter também as descrições dos processos envolvidos em sua dinâmica. Estes métodos permitem propor mecanismos para explicar características da dinâmica dos sistemas modelados e envolvem parâmetros cuja influência sobre o comportamento do sistema pode ser investigada (GOMES, 2007).

O aumento do interesse em criar soluções sustentáveis para problemas ambientais e econômicos provocou a demanda de métodos de previsão de resultados e conseqüências na tomada de decisões. Quando estudos longos ou manipulações experimentais não são possíveis, caso de sistemas ecológicos ou econômicos complexos, modelos representativos podem ajudar. Em muitas situações, modelos relativamente simples podem ajudar a analisar o que está acontecendo ou podem simular situações futuras (CONSTANZA; GOTTLIEB, 1998).

Modelos são utilizados por cientistas para entender, avaliar ou otimizar sistemas, e em ambientes educacionais os modelos são utilizados para facilitar a aprendizagem, especialmente quando se trata de sistemas dinâmicos. Nestes casos, professores enfrentam o desafio de preparar atividades para, não apenas ajudar seus alunos a entenderem a forma de sistemas, mas também para compreender como eles funcionam e se modificam. Uma abordagem é auxiliar os aprendizes a expressar e construir seus próprios entendimentos de comportamento de sistemas por meio de atividades de modelagem apoiadas por computador, fomentando a aprendizagem orientada à descoberta (RILEY, 1990).

Ecossistemas são sistemas dinâmicos e complexos dos quais a quantificação pode ser auxiliada com o uso de programas como STELLA e ECOPATH que vêm recebendo destaque na elaboração de modelos, tanto para uso em pesquisa científica (ANGELINI, 1999), quanto para apoiar a aprendizagem (RILEY, 1990).

Muitos modelos dinâmicos procuram medir o ajuste das espécies nos ecossistemas para saber quais são as mais adaptadas e que suportariam mudanças futuras. Esta quantificação é realizada através de uma função meta denominada exergia, que é a quantidade de energia livre que o sistema está pronto para transferir ao ambiente (ANGELINI, 1999).

O simulador ECOPATH é um pacote de aplicações para a modelagem e simulação de ecossistemas aquáticos, e inclui alguns programas como o próprio ECOPATH para uma representação estática do sistema, ECOSIM, uma simulação dinâmica ao longo do tempo para exploração de políticas, e ECOSPACE, um módulo dinâmico espacial e temporal para a exploração do impacto e localização de áreas protegidas (ECOPATH, 2008). O conjunto de programas permite estimar a biomassa e o consumo de vários elementos de um ecossistema aquático e analisar fluxos entre os elementos do mesmo, mas também permite construir modelos em estado de equilíbrio. A equação básica do modelo ECOPATH é a de um sistema balanceado, sob condições de equilíbrio que ocorre quando a biomassa média anual para cada espécie não varia de ano para ano ou se a soma das interações entre os componentes for maior que as interações do sistema com o meio externo (ANGELINI, 1999).

Já simuladores como STELLA (Structured Thinking Experimental Learning Laboratory) muito usados em ambientes educacionais são recomendados para simular o comportamento de um ecossistema ao longo do tempo, a fim de diminuir a distância entre teoria e mundo real, permitir que estudantes usem sua criatividade para alterar sistemas, evidenciar as relações e prover uma imagem holística, comunicar entradas e saídas e demonstrar conseqüências (STELLA, 2008). Este simulador pode ser usado, por exemplo, para modelar a competição entre diferentes espécies para recursos limitados ou reações químicas de enzimas (SHIFLET, 2002). STELLA é um simulador apresentado na forma de uma linguagem de programação orientada a objetos que utiliza uma interface iconográfica para facilitar a construção de estruturas de sistemas dinâmicos (CONSTANZA; GOTTLIEB, 1998). O programa provê um ambiente para modelagem de sistemas dinâmicos no qual modelos podem ser criados e editados por meio de diagramas estruturais, sem precisar conhecer a codificação simbólica de uma linguagem de programação (RILEY, 1990). A construção de um modelo usando o STELLA consiste em desenhá-lo na tela com

estoques (retângulos), com fluxos (torneiras ou válvulas), com conversores (círculos), e com conectores (setas) como representados na

Tabela 5,

Tabela 5 - Componentes Básicos do STELLA

VARIÁVEIS ÍCONE DESCRIÇÃO

Estoque Substantivo, representa algo que acumula, que pode ser _{alterado ao longo do tempo por um fluxo.}

Fluxo Verbo, atividade que altera o tamanho do estoque ao longo to _tempo.

Conversor Converte, armazena equação ou constante, não acumula. Representa o mecanismo para definir entradas externas e realizar cálculos algébricos.

Conector Transmite dados ou informação, representa uma relação de causa-efeito entre variáveis, expressando uma dependência entre elas.

Fonte: SHIFLET, 2002; MULINARI et al., 2006

Depois da construção do modelo por meio de ícones, se escreve uma equação para cada inter-relação entre os componentes. Desta forma, juntas, as equações descrevem a dinâmica e o comportamento do modelo. (ANGELINI, 1999)

As variáveis de estoque (retângulos) representam repositórios de materiais tais como população, biomassa, nutrientes ou fundos monetários. Um fluxo é uma atividade que altera a magnitude de uma variável de estoque como, por exemplo, nascimento, formação de uma enzima ou crescimento de fundo monetário (SHIFLET, 2002). Conversores (círculos) são utilizados para modificar uma atividade e podem armazenar uma equação ou uma constante. Em um modelo populacional, por exemplo, um conversor poderia armazenar uma taxa de crescimento de 10%. Os materiais transcorrem entre as variáveis de estoque ou saem de fontes indefinidas ou se dirigem a destinos indefinidos (ambos representados por nuvens colocadas

nas pontas de estruturas de fluxos). Fluxos sofrem influência de variáveis auxiliares, de variáveis de estoque, e de outros fluxos (CONSTANZA; GOTTLIEB, 1998). Estas influências - denominadas conectores - são representadas por setas de informação. Um conector transmite dados ou informações, portanto não tem valor numérico. Em um modelo populacional, por exemplo, um conector pode transmitir o valor da taxa de crescimento do conversor para o fluxo de crescimento (SHIFLET, 2002).

A Figura 10 mostra um exemplo de modelo construído com STELLA onde as variáveis em vermelho correspondem à mortalidade da população, em azul aquelas que caracterizam o desenvolvimento da população e seus distintos estágios do desenvolvimento e em verde encontra-se representada a natalidade (MULINARI et al., 2006).

Figura 10 - Modelo da Dinâmica Populacional de U. cordatus no Manguezal da Baía de Vitória, ES (MULINARI et al., 2006)

Após a construção do modelo, o programa STELLA permite realizar uma simulação e, a partir dos estoques iniciais, da definição das diferentes variáveis e da própria simulação ficam disponíveis resultados em formato de gráficos ou de dados em tabelas.