Conferència Satellite ECM 2024: CIEM24

Per entendre com el clima configura la dinàmica dels ecosistemes, hem d'explorar el paper i els orígens de l'estocasticitat en els sistemes ecològics. En aquesta xerrada, introduiré els tres tipus generals d'estocasticitat: heterogeneïtat demogràfica, ambiental i individual. Utilitzant el model de Levins, un marc ecològic clàssic, demostraré com aquestes diferents formes d'estocasticitat influeixen en la dinàmica dels ecosistemes. En estendre el model de Levins, il·lustraré la seva importància fonamental en l'anàlisi de sistemes rics en espècies, dinàmiques eco-evolutives, interaccions consumidor-recurs i respostes funcionals, i interaccions hoste-parasitoides.

Tot i que l'estocasticitat ambiental espacial, o l'heterogeneïtat espacial en les condicions ambientals, sovint subjau a la dinàmica de l'ecosistema, els patrons espacials no aleatoris en la distribució de les espècies també poden sorgir en condicions ambientals uniformes. Aquests patrons impulsats biològicament, coneguts com a patrons induïts per difusió o patrons de Turing, van ser descrits per primera vegada per Alan Turing, que va demostrar que es desenvolupen a partir d'una inestabilitat induïda per la difusió.

Concloure la meva xerrada examinant una interacció hoste-parasitoide en una plantació de cafè, presentant troballes preliminars sobre la varietat de patrons espacials produïts per aquest sistema i resumint una metodologia general per estudiar sistemes estocàstics estesos espacialment d'una manera accessible.

En els darrers anys hi ha hagut una consciència creixent dels riscos de col·lapse o punts d'inflexió en una gran varietat de sistemes complexos, que van des de condicions mèdiques humanes, pandèmies, ecosistemes fins al clima, les finances i la societat. Es caracteritzen per variacions en múltiples escales espacials i temporals, que condueixen a una comprensió incompleta o incertesa en la modelització de la dinàmica. Fins i tot en sistemes on es coneixen les equacions rectores, com ara el flux atmosfèric, la predictibilitat està limitada per la naturalesa caòtica del sistema i per la resolució limitada en observacions i simulacions per ordinador. Per avançar en l'anàlisi d'aquests sistemes complexos, assumir escales no resoltes i dinàmiques caòtiques més enllà de l'horitzó de predicció com a estocàstics ha demostrat ser eficient i reeixit. Quan els sistemes complexos experimenten transicions crítiques canviant un paràmetre de control a través d'un valor crític, es produeix un canvi estructural en la dinàmica, l'estat prèviament estable estadísticament deixa d'existir i el sistema passa a un estat estadísticament estable diferent. Per establir en quines condicions es pot donar un avís primerenc per a la inclinació, considerem un model estocàstic simple, que es pot considerar un representant genèric de molts sistemes complexos de dos estats. Mostrem com això proporciona un mètode estadístic robust per predir el moment de la bolcada. El mètode s'utilitza per avisar d'un proper col·lapse de la circulació de capgirament meridional atlàntic.

Referències: Peter D. Ditlevsen i Susanne Ditlevsen (2023), Warning of a forthcoming collapse of the Atlantic meridional overturning circulation. Nat Commun 14, 4254

Les anàlisis tant de models com de dades en ecologia encara es centren en l'equilibri o la dinàmica a llarg termini, amb algunes excepcions notables. Tot i que els treballs recents sobre punts d'inflexió inclouen enfocaments basats tant en entorns canviants subjacents com en dinàmiques a diferents escales de temps, les possibles situacions on les dinàmiques a diferents escales de temps són importants són molt més generals. Utilitzant noves idees matemàtiques es poden abordar qüestions de dinàmica a escales de temps ecològiques, en lloc de temps més llargs, i incloure altres tipus de canvis ambientals subjacents. La importància d'aquesta manera d'analitzar els sistemes ecològics és clara tenint en compte els canvis d'entorn per influències antropogèniques. Les anàlisis demostren que hi ha una àmplia gamma de situacions ecològiques on les anàlisis estàndard basades en assumir un comportament asimptòtic són enganyoses. Els casos addicionals en què la dependència temporal explícita s'inclou a la dinàmica mostren més complicacions. Es poden identificar diferents tipus de situacions on s'espera un comportament transitori llarg. En particular, l'addició d'espai, que essencialment fa que els sistemes tinguin una gran dimensió, sovint és probable que condueixi a dinàmiques transitòries llargues. Aquest treball també, malauradament, assenyala els reptes a l'hora d'intentar identificar sistemes on es produiran futurs canvis sobtats en l'estat del sistema a causa de transitoris, ja que el comportament transitori d'un sistema amb transitoris llargs serà el comportament asimptòtic o a llarg termini d'un sistema corresponent. sense transitoris. A la llum dels resultats teòrics generals, es discutiran exemples de sistemes ecològics que il·lustren les conclusions, inclosos els sistemes de pastura de coralls-algues.

He passat 35 anys de la meva carrera professional observant diferents sistemes ecològics i com responen al canvi ambiental. Al principi, era obvi que el clima estocàstic jugava un paper crucial en l'impuls de la productivitat primària i com aquesta associació s'impregnava a tot l'ecosistema. No va ser fins uns quants anys més tard que vaig descobrir la importància de les escales temporals i espacials per a una millor comprensió de l'estocasticitat climàtica i els seus efectes sobre els processos ecològics. Això incloïa una mirada necessària al temps geològic i a les històries de vida evolutives implicades en les complexes respostes dels organismes a la variabilitat climàtica. He acabat tenint la sensació d'aplegar un coneixement empíric limitat d'una sèrie d'organismes i ecosistemes, i ara lluito per esbrinar si hi ha bones preguntes que queden sense resposta. Per exemple, hi ha una memòria evolutiva seleccionada per ajustar la resposta?
organismes a l'estocasticitat climàtica? Com ha afectat la ciclicitat climàtica durant el Quaternari recent les històries de vida i les respostes dels organismes a aquest nou règim climàtic? Com el ritme evolutiu de la vida ha modelat la resposta dels diferents organismes a l'estocasticitat climàtica? Resumiré aquí la meva experiència de camp al llarg dels anys i com faig front al que queda entre l'evidència trivial (és a dir, el clima influeix en els processos ecològics) i els reptes dels sense resposta (és a dir, copiar amb les respostes d'ecosistemes complexos).

Els models compartimentals tenen un paper important per descriure la dinàmica dels sistemes que impliquen moviments massius entre diferents tipus de piscines. Desenvolupem una teoria per analitzar les edats mitjanes de la massa en diferents piscines a sistema compartimental lineal amb taxes de transferència depenents del temps (és a dir, no autònomes), que implica temps de trànsit que caracteritzen el temps mitjà que una partícula ha passat en un conjunt concret. Apliquem la nostra teòrica resultats per investigar un sistema compartimental de nou dimensions amb fluxos depenents del temps entre piscines que modelen el cicle del carboni terrestre.

Treball conjunt amb Alan Hastings, George Chappelle, Matthew Smith, Yiqi Luo, Folashade Agusto, Benito Chen-Charpentier, Forrest Hoffman, Jiang Jiang, Katherine Todd-Brown, Ying Wang, Ying-Ping Wang.

La majoria dels peixos marins tenen un cicle de vida bifàsic durant el qual les larves es dispersen a l'oceà obert abans de tornar a un hàbitat costaner i renovar la població adulta. Aquest increïble viatge representa un repte massiu per a organismes tan minúsculs que no només hauran d'orientar-se, sinó que també hauran de trobar menjar, escapar dels depredadors, créixer i enfrontar-se a canvis externs i interns massius per transformar-se en joves que semblen adults en miniatura. Aquesta transformació, s'anomena metamorfosi i està sota el control de les hormones tiroïdals. S'ha de produir durant la transició entre la fase oceànica i la costal. Per tant, les hormones tiroïdals no només són les responsables de desencadenar la metamorfosi, sinó que de fet coordinen múltiples processos per garantir que el juvenil resultant estigui equipat per adaptar-se al seu nou hàbitat en el moment adequat. Les evidències recents suggereixen, doncs, que les hormones tiroïdals tenen una funció ecològica que consisteix a garantir que les transicions del desenvolupament estiguin alineades amb la transició ambiental. No obstant això, durant aquest període crític, els peixos marins poden ser especialment vulnerables a factors externs com la qualitat de l'hàbitat, la contaminació, l'augment de la temperatura, l'acidificació dels oceans, etc. Presentarem les evidències experimentals que recolzen aquest model i discutirem les seves implicacions.

Un repte bàsic del nostre temps és predir com respondran els organismes al canvi ambiental global. Tanmateix, la majoria de les nostres eines predictives actuals són mètodes correlatius (estadístics) que passen per alt els mecanismes subjacents a les interaccions organisme-entorn i, per tant, tenen una capacitat limitada per extrapolar respostes a escenaris ambientals sense precedents. Una àrea de recerca emergent està compromesa a desenvolupar models mecanicistes per capturar aquestes interaccions: un esforç multidisciplinari que integra camps dispars com la termodinàmica, la fisiologia i la biologia evolutiva. Un punt de partida per aconseguir aquesta integració ha estat desenvolupar models biofísics que descriguin els equilibris de calor, aigua i altres aspectes de l'intercanvi d'energia i massa entre els organismes i el seu entorn i els tradueixin en mètriques de rendiment fisiològic i fitness. Mostraré els avenços recents en el modelatge biofísic i exemples que van des de simples càlculs de la temperatura corporal en moments i llocs específics, fins a patrons a gran escala que inclouen distribucions d'espècies tant a l'àmbit terrestre com aquàtic. Destacaré que els models biofísics estan obrint nous terrenys de recerca i tenen el potencial de transformar l'ecologia en una ciència predictiva.

La previsió de l'impacte futur del clima en els ecosistemes necessita dades de sèries temporals llargues, que sovint són escasses per a les comunitats ecològiques. Tanmateix, és possible utilitzar proxys biològics per caracteritzar ecosistemes passats. Aquests proxies tenen diversos avantatges. D'una banda, fan correu brossa al llarg de períodes de temps que inclouen grans canvis climàtics. D'altra banda, proporcioneu informació sobre la composició de la comunitat, que permetin inferències sobre les propietats a nivell del sistema. Així, és possible identificar els canvis en les comunitats ecologistes i desenredar els impulsors que hi ha darrere. En aquesta presentació mostraré els resultats preliminars del nostre treball de reconstrucció de xarxes ecològiques durant l'Holocè utilitzant els registres palinològics dels llacs de muntanya. Aquestes xarxes ens mostren la resposta de les comunitats ecològiques a les condicions del seu entorn, incloses el clima i les activitats humanes, proporcionant informació valuosa sobre com els ecosistemes responen als factors del canvi global al llarg del temps. Els nostres resultats podrien ajudar a preveure com respondran els ecosistemes al clima en un futur proper, predir l'arribada de grans canvis i destacar el valor dels antics indicadors biològics per a la investigació del canvi climàtic.

Comprendre i predir els canvis ecològics bruscos en ecosistemes estesos espacialment és vital per a la gestió ambiental. Els ecosistemes com els de l'oceà Atlàntic Nord i les regions semiàrides poden experimentar transicions significatives a causa dels ràpids canvis en els indicadors clau. Les investigacions anteriors destaquen la utilitat de la correlació espacial en la previsió d'aquests punts d'inflexió, però la identificació primerenca continua sent un repte a causa de factors com la resolució de dades i el soroll.

S'ha demostrat que l'entropia de permutació espacial (PE) pot detectar senyals d'alerta primerenca en dades espaciotemporals. Aquí, mitjançant l'anàlisi de la variabilitat temporal dels indicadors espacials, específicament la correlació espacial i el PE, pretenem identificar patrons que indiquen canvis ecològics. Apliquem el nostre enfocament als nivells de clorofil·la de l'Atlàntic Nord i a les dades de vegetació semiàrida, juntament amb simulacions de models.