I en varmere verden er halvdelen af ​​alle arter på vej. Hvor skal de hen?

Fra de dybeste oceaner til de højeste bjerge har menneskeskabte klimaændringer en dyb indvirkning på dyr og planter rundt om i verden, med mange arter skubbet til randen af ​​udryddelse af stigende temperaturer.

Fra bjørne til elge til los, og endda egern og frøer, forlader dyr deres hjem på jagt efter køligere klimaer, mens planeten opvarmes. Faktisk er omkring halvdelen af ​​verdens 4.000 arter på vej, hvor mange migrerer nordpå mod højere breddegrader.

For økologer og naturforkæmpere er det afgørende at forstå, hvordan disse arters levedygtige levesteder udvider sig og trækker sig sammen i sammenhæng med et hurtigt skiftende klima. Som sådan bruges artsfordelingsmodellering ofte til at forudsige migrationsvaner og egnede levesteder for arter under forskellige miljøforhold.

Men de nuværende modeller kan give unøjagtige og alt for optimistiske resultater, fordi de undlader at overveje et nøglespørgsmål:Kan en art realistisk nå et passende klima, før det er for sent?

Ikke alle miljøer er egnede til enhver art, og dyr skifter og migrerer i forskellige hastigheder baseret på en række faktorer, såsom mobilitet, reproduktionsevne eller landskabstræk. I økologi er dette kendt som en spredningsgrænse eller begrænsning.

"Når vi tænker på klimaændringernes indvirkning på arternes levesteder, må vi spørge:Hvor kan arterne leve i fremtiden under klimaændringer, men endnu vigtigere, kan de komme dertil?" sagde Bistra Dilkina, en USC-lektor i computervidenskab og meddirektør for USC's Center for Artificial Intelligence in Society.

"Vi er nødt til dynamisk og nøjagtigt at vurdere bevaringsprioriteter, og det er meget vigtigt at få de rigtige værktøjer til at forstå fremtidige bekymringer."

Derfor gik Dilkina sammen med Georgia Tech biogeografer Jenny McGuire, en assisterende professor, og Ben Shipley, en Ph.D. kandidat til at skabe MegaSDM, det første modelleringsværktøj, der tager højde for spredningsgrænser for mange arter, klimamodeller og tidsperioder på én gang.

Når modellen leveres med en liste over arter og miljødata, producerer den en række kort, der illustrerer, hvordan arter bevæger sig over tid i forskellige scenarier under klimaændringer.

Et skift mod nord

I et nyligt papir modellerede holdet 165 nordamerikanske pattedyrs udbredelser i 2010 og forventede til 2050 og 2070 under to scenarier:med spredningsgrænser og uden. De fandt et forudsigeligt fald i den samlede artsrigdom fra 2010 til 2070 i hele Nordamerika og et lille, men synligt skift mod nord.

Men kortet med spredningsbegrænsninger lød en alvorlig advarsel:Mange arter vil ikke være i stand til at kolonisere alle de tilgængelige egnede levesteder i 2070.

"Når spredningshastigheden tages i betragtning, ser fremtiden mørkere ud, end vi havde forventet," sagde McGuire.

"Når vi ser på ændringer i habitategnethed over tid, ser vi habitatkrympning mod syd, og habitategnethedsudvidelse mod nord, hvilket er forventeligt. Men vigtigst af alt, når vi integrerer spredningsbegrænsninger i analysen, ser vi også en masse habitatets egnethedsgevinster går tabt på grund af spredningsgrænser."

Som et resultat heraf kan modellen give forskere mulighed for at kaste nyt lys over, hvilke arter der virkelig er i risiko for at uddø på grund af klimaændringer. Tidligere undersøgelser tyder på, at arter med langsom spredningshastighed – inklusive primater, spidsmus, muldvarpe og arter fra opossum-ordenen – har den højeste risiko, i det mindste på den vestlige halvkugle.

Også i fare er koldt vejr, højtliggende arter såsom pika, et lille bjerglevende dyr, der kan overophedes og dø i temperaturer så milde som 78 grader Fahrenheit. Trods faldende antal er det lille pattedyr blevet nægtet status af truede arter med undersøgelser, der tyder på, at det vil migrere til køligere områder op ad skråninger.

Men med spredningsbegrænsninger taget i betragtning, ser fremtiden mindre optimistisk ud for pika'en.

"Pikaer er usandsynligt, at de bevæger sig meget rundt i løbet af året, så deres spredningshastigheder er ret lave. Som et resultat, selv hvis der åbnede sig et nyt passende levested på en bjergkæde mod nord, kan det være usandsynligt, at nogen bestand af pika. ville etablere sig der, og efterhånden som klimaet opvarmes, vil deres levesteder skrumpe," sagde Shipley.

"Kortet uden spredningsbegrænsninger kan vise en udvidelse til koldere og højere bjergkæder, hvorimod et spredningsbegrænset kort ville vise et fald i habitat uden en tilsvarende udvidelse gennem tiden."

Bemyndigelse af fremtidig handling

En anden fordel ved MegaSDM:Det kan syntetisere mange arter, tidsperioder og klimascenarier på én gang. Ved at udsende unikke kort, der beskriver ændringerne i arternes rækkevidde, giver det forskere mulighed for at forudsige artsfordelinger frem og tilbage i tiden for at forudse, hvor en art potentielt kan leve i fremtiden.

"De fleste af de nuværende teknikker, der bruges af artsfordelingsmodeller, er statiske, så de projicerer kun til en enkelt tidsperiode, og de inkorporerer ikke aspekter af bevægelse på tværs af landskaber," sagde Shipley. "Men MegaSDM bruger en flertrins-tidstilgang, så du kan anvende disse distributionsmodeller til tidligere eller nuværende tidsperioder og vise dynamiske bevægelser, såsom udvidelse og formindskelse af rækkeviddestørrelser."

Det giver også forskere mulighed for at pirre virkningerne af klimaændringer i forhold til andre barrierer for migration – f.eks. byudvikling eller uegnede levesteder.

"Hvis vi bare ser på i dag, får vi ikke et fuldstændigt billede af alle de forskellige klimaer, som en art kan leve i," sagde McGuire. "Værktøjet giver os mulighed for at genkende, hvornår en art bliver begrænset af andre typer påvirkninger, og det giver os mulighed for bedre at forudse, hvor de potentielt kan leve i fremtiden, og at identificere potentielle områder til genopretning."

Udviklingen af ​​open source-værktøjet krævede omhyggelig systemudvikling og planlægning for at bestemme, hvordan man opretter et modulært system med de mindste hukommelseskrav, sagde Dilkina, dr.

Først modellerede forskerne habitatets egnethed for arter ved hjælp af relevante offentligt tilgængelige data, såsom geografiske informationssystemer (GIS) lag, herunder højde, landdækning, urbaniseringsniveau og skovrejsning. Dernæst så de på, hvor disse arter er blevet opdaget, og klimadata for nutiden og fremtiden.

Fremover planlægger teamet at bruge værktøjet til at identificere arter med den højeste risiko i håbet om strategisk at implementere bevaringsstrategier, dyrelivs trædesten eller korridorer for eksempel for at udvide forbindelsen mellem bevarede landskaber.

"Klimaforandringerne er her hurtigere, end vi havde forventet," sagde Dilkina. "Det er ekstremt vigtigt at opbygge værktøjerne til at hjælpe os med at lave kvantitative forudsigelser om, hvad der vil ske, og jeg tror, ​​at dette vil styrke fremtidig indsats inden for bevaring af biodiversitet og bestræbelser på at begrænse klimaændringer."

Undersøgelsen blev offentliggjort i Ecography . + Udforsk yderligere

'Moth-motorveje' kunne hjælpe med at modstå klimaændringspåvirkninger