Un modello di ecosistema è una rappresentazione di un ecosistema mostrato in forma matematica. Tali modelli sono utilizzati nell’ecologia teorica per aiutare gli ecologi a studiare gli ecosistemi esistenti e prevedere cosa potrebbe accadere in determinate condizioni. Un ecosistema è incredibilmente complesso, quindi un modello di ecosistema generalmente deve semplificare il sistema concentrandosi solo su parti specifiche.
Gli ecosistemi sono ambienti biologici. Includono tutte le creature viventi in un’area particolare, nonché le caratteristiche fisiche di quell’area che potrebbero influenzare o essere utilizzate dagli organismi in essa contenuti. Queste potrebbero essere cose come aria, acqua o quantità di luce solare. Il modello deve anche tenere conto delle dimensioni dell’ambiente studiato poiché ciò può avere un effetto sugli organismi in esso contenuti.
Per creare un modello matematico funzionante, un ecologista deve semplificare l’ecosistema che sta cercando di studiare. Questo può essere fatto concentrandosi su un numero limitato di specie o gruppi che condividono determinati tratti. Questi tratti potrebbero essere comportamentali, biochimici o fisici.
Una volta che l’ecologo ha isolato gli organismi di interesse, crea per loro una catena alimentare. Una catena alimentare è una rappresentazione delle relazioni predatore-preda. Ad esempio, se l’animale di interesse è il coyote, la catena alimentare potrebbe mostrare che il coyote mangia i conigli, che mangiano la vegetazione a livello del suolo. I coyote, i conigli e la vegetazione diventeranno tutti elementi del modello dell’ecosistema.
Gli elementi nel modello di ecosistema vengono quindi collegati tra loro utilizzando funzioni matematiche che descrivono le loro relazioni. Anche in questo caso la complessità di un ecosistema rappresenta un problema per l’ecologo. È difficile osservare quale effetto effettivo avrà il consumo di un singolo coniglio sulla popolazione di coyote, quindi gli ecologi usano statistiche, osservazione e altri metodi per arrivare a un’ipotesi plausibile. Le funzioni matematiche possono essere regolate come eventi reali nell’ecosistema dimostrano o confutano l’accuratezza del modello dell’ecosistema.
Un classico modello di ecosistema studiato dagli studenti di ecologia è il modello predatore-preda creato a metà degli anni ‘1920. È stato creato indipendentemente da due scienziati nell’arco di un anno: il matematico, chimico e statistico statunitense Alfred J Lotka e il matematico e fisico italiano Vito Volterra. Il loro modello utilizza una coppia di equazioni differenziali per rappresentare predatori e prede. Sebbene originariamente utilizzato per descrivere le fluttuazioni delle popolazioni di squali e pesci nel Mare Adriatico, il modello funziona come una descrizione generale della relazione predatore-preda.