Forskere udvikler ligninger til at forudsige og sammenligne vendepunkter for vores klodens mest truede økosystemer

Nyhedsoverskrifter om ekstremt vejr, smeltende iskapper og truede arter er daglige påmindelser om vores skiftende miljø. Den dybe omfang og intensitet af disse udfordringer kan få en til at undre sig:"Hvad skal vi gøre først?" Forskere har for nylig udviklet formler, der hjælper med at besvare dette spørgsmål, og skaber effektivt en metode til at triage økosystemer i tilbagegang ved at måle og sammenligne deres afstand til vippepunkter.

I forskning netop offentliggjort i Nature Ecology &Evolution , et team ledet af Jianxi Gao, assisterende professor i datalogi ved Rensselaer Polytechnic Institute, udviklede ligninger, der tillader sammenligning af afstande til vippepunkter på tværs af forskellige mutualistiske systemer. Med andre ord kan forskelligartede miljøer for første gang analyseres med hensyn til, hvor tæt de er på at blive fuldstændig og måske uigenkaldeligt ændret, og de kan sammenlignes med andre for at afgøre, hvilke områder der har det mest akutte behov for indgreb.

Tidligere kunne videnskabsmænd opdage tidlige advarselssignaler om, at et system muligvis nærmer sig sit vendepunkt, men de var ikke i stand til at tilskrive en nøjagtig værdi til et systems afstand fra dets vendepunkt. Værdien kan definere sandsynligheden for, at et system vil overføre til den uønskede tilstand fra den ønskede tilstand, eller hvor let et vendepunkt kan nås.

Gaos team udviklede en generel dimensionsreduktionstilgang til at forenkle dataene i komplekse systemer, hvilket muliggør nøjagtige målinger af afstande til vippepunkter i forskellige økosystemer. Holdet udviklede også en skaleringsfaktor, der placerer modstandsdygtigheden af ​​forskellige systemer på samme skala, så de kan sammenlignes.

"Med så mange økosystemer, der kæmper for virkningerne af klimaændringer, er det kritisk at være i stand til at formidle, hvor lidt tid vi har tilbage til at gribe ind, før et vendepunkt nås," sagde Curt Breneman, dekan ved Rensselaer School of Science. "Mobilisering vil ikke ske uden en følelse af, at det haster."

Gaos team studerede 54 forskellige miljøer fra hele verden og analyserede de mange faktorer, der styrer deres modstandskraft. Artstab, invasioner, menneskelige aktiviteter og miljøændringer forårsager alle "forstyrrelser" i et økosystem, men dets sandsynlighed for kollaps bestemmes af økosystemets strukturelle egenskaber. For eksempel, hvis et par træer fældes i en tyk skov, vil påvirkningen af ​​økosystemet være minimal, fordi nye træer vil vokse, og systemet vil komme tilbage til sin tidligere tilstand. Men i et område, hvor der mangler træer, kan tabet af nogle få en mere dybtgående indvirkning, og systemet kan gå over i en uønsket tilstand, hvorfra det er vanskeligt at komme sig. I matematiske termer er elasticitet afstanden til grænsen af ​​attraktionsbassinet.

"For eksempel, hvis det ene stykke attraktion er skoven, og det andet er savannen, kan systemet eller måske ikke overføres til savannen på grund af mange faktorer," sagde Gao. "Attraktionsgrundlaget refererer til regionen af ​​disse faktorer inde i det højdimensionelle rum. Hvor er skovens region, hvor hvis du krydser grænsen, ændres den til savanne? Hvis et system forbliver i grænsen, vil det altid komme sig. Kun når den krydser en eller anden værdi, vil den ændre sig til en anden tilstand og kan ikke genoprettes."

Gaos team mener, at metoden ikke kun kan bruges til at bestemme modstandsdygtigheden af ​​økologiske systemer, men også biologiske, tekniske og sociale systemer. "Den dimensionsreduktionstilgang er meget generel og kan anvendes på forskellige typer systemer," sagde Gao. "Det er universelt." For eksempel målte teamet også tippepunktet inden for et forsyningskædenetværk.

På en optimistisk note, er holdets forskning ikke afsluttet med tippepunkter. De forfølger også en gendannelsesalgoritme til, når systemer fejler.

Gao fik selskab af Huixin Zhang og Weidong Zhang fra Shanghai Jiao Tong University, Qi "Ryan" Wang fra Northeastern University og Shlomo Havlin fra Bar-Ilan University. + Udforsk yderligere

'Sensing system' opdager kæmpende økosystemer