• Equips del Centre d’Estudis Avançats de Blanes (CEAB-CSIC) i del Centre de Recerca Matemàtica (CRM) han modelat el col·lapse d’una població, la gavina corsa del Delta de l’Ebre, després de 40 anys d’observacions.
  • El model s’ha ajustat fent servir algoritmes d’intel·ligència artificial, fet que ha permès demostrar que la dispersió de la població respon al fenomen de còpia social.

  • L’estudi demostra i quantifica, per primera vegada, un tipping point social. Es tracta d’un punt d’inflexió generat com un allau social: a partir d’un llindar en el nombre de individus que dispersen, la gran majoria decideix fer el mateix per còpia social.

40 anys d’observacions de la població de gavina corsa (Ichthyaetus audouinii) realitzades per la Dra. Meritxell Genovart i el Dr. Daniel Oro del Centre d’Estudis Avançats de Blanes (CEAB-CSIC) han permès modelar per primera vegada el col·lapse d’una població amb dispersió per còpia social després d’una pertorbació a l’ecosistema.

El model matemàtic desenvolupat pel Prof. Lluís Alsedà i Dr. Josep Sardanyés del Centre de Recerca Matemàtica (CRM) en col·laboració amb l’equip científic del CEAB-CSIC i el Prof. Alan Hastings de la Universitat de Califòrnia Davis ha permès reproduir la dinàmica de la fugida i dispersió de la població de gavines corses a la Punta de la Banya (Delta de l’Ebre). Aquesta fugida i dispersió es va produir a arrel de l’arribada dels depredadors carnívors, principalment guineus.

El model matemàtic, que s’ha ajustat a les dades de camp fent servir algoritmes d’intel·ligència artificial, mostra que el mecanisme principal de dispersió de l’espècie és el de còpia social, fet que podria ser extrapolable a l’estudi d’altres espècies socials.

Primer conjunt de dades des de l’establiment de la població de gavina corsa

Des del 1981, un equip  del CEAB-CSIC en col·laboració amb el Parc Natural del Delta de l’Ebre han fet un seguiment exhaustiu del nombre de gavines corses reproductores en aquest espai protegit. Aquestes dades són molt valuoses ja que registren el comportament de la població des de la colonització, la transició ràpida fins a convertir-se en la colònia més gran del mon, i finalment, al seu col·lapse, 40 anys més tard. La Punta de la Banya ha estat un indret de reproducció clau per estudiar les dinàmiques de la metapoblació de la espècie en tota la Mediterrània occidental, que inclou el 90% de la població mundial de l’espècie.

Durant la fase inicial, del 1981 al 1997, les gavines van trobar condicions de cria tan bones que el creixement poblacional va ser exponencial, gràcies a unes altíssimes taxes de fertilitat i immigració mai registrades abans, i la colònia va arribar a contenir fins al 73% de la població, un fet absolutament insòlit.

La segona fase es va iniciar amb l’arribada de les guineus a la colònia, que van venir atretes per la gran disponibilitat d’ocells colonials que criaven a la Banya, generant una pertorbació que va anar erosionant progressivament la qualitat de l’habitat. Aquesta espècie d’ocell colonial no disposa de cap mecanisme actiu de defensa davant dels depredadors terrestres i la única resposta que tenen és dispersar a altres zones de cria. Les gavines van seguir reproduint-se uns anys esperant que la situació es revertís i mentre tant van recollir informació sobre altres indrets on emigrar i criar, en cas necessari.

Després d’uns anys on les condicions de cria no van deixar d’empitjorar, es va produir una emigració en cascada fins acabar en el col·lapse de la població, que va passar en pocs anys a tenir només el 3% de la població mundial.

Un model matemàtic únic que descriu la dinàmica de la població de gavines corses

El Prof. Lluis Alsedà i el Dr. Josep Sardanyés, conjuntament amb el Prof. Daniel Oro,  han elaborat un model matemàtic per descriure la dinàmica de la població de gavines. Utilitzant les dades de camp recollides per l’equip científic del CEAB-CSIC, van poder estudiar el creixement exponencial inicial de la població i trobar els paràmetres ecològics més rellevants responsables de la dinàmica observada a la Banya, estimant les taxes de reproducció, immigració, i competició (pel menjar i/o per les zones de nidificació) entre membres de la mateixa població.

El model matemàtic ha permès estimar la capacitat de càrrega de l’ecosistema de la Banya (com de bo és el lloc d’estudi per a albergar la població d’ocells degut a la disponibilitat d’aliment, condicions ambientals i espai), així com l’equilibri esperat de la població.

Amb l’arribada dels depredadors algunes gavines van començar a dispersar-se abans d’assolir l’equilibri poblacional predit pel model matemàtic. I és aquí a on apareix la novetat del model. L’equip ha pogut demostrar, modelitzant diferents termes de dispersió i aplicant mètodes d’intel·ligència artificial com els algoritmes genètics, que la dispersió de la població després de la pertorbació respon al fenomen de còpia social.

Els organismes necessiten emmagatzemar informació per reduir la incertesa pròpia del seu entorn”, explica el Prof. Daniel Oro. “Aquesta informació s’adreça a optimitzar la cerca de recursos, com ara l’aliment o refugi davant els predadors. Tanmateix, els animals socials tenen un mecanisme propi modelat per la evolució que és tan extraordinàriament simple i efectiu que ha aparegut des dels bacteris fins als gran vertebrats, inclosa la nostra espècie: la còpia social. Quan ens enfrontem a una amenaça i no disposem de la informació necessària per prendre una decisió, el que fem és copiar el que fan els altres”.

(A)Dinàmica de poblacions de les gavines d’Adouin a la Punta de la Banya (Parc Natural del Delta de l’Ebre) des del 1981 fins al 2021. Al 1981 es va establir una subpoblació en aquest indret i aquesta va anar augmentat el seu nombre per reproducció i per la immigració d’altres zones properes. Aquest creixement es va aturar al 1997, quan alguns carnívors (sobretot guineus) van envair la zona. La presència dels depredadors va causar una pertorbació ambiental i les gavines van començar a dispersar-se cap a altres indrets propers. El col·lapse total es va produir entre 2006 al 2017. A partir del 2017, i gràcies a l’expulsió dels pocs depredadors que havien entrat, les gavines han començat a recolonitzar l’indret. Les dades representades amb punts negres corresponen als comptatge de la població de gavines, mentre que les línies contínues són l’ajust del model matemàtic introduït en aquest treball. Gràcies al model matemàtic hem pogut estimar els paràmetres d’interès ecològic i demostrar que la fugida de les gavines entre el 2006 i el 2017 va ser pel simple mecanisme de còpia social. (B) El model matemàtic ha permès quantificar la resposta de la dispersió en funció de la mida poblacional de gavines, identificant una resposta altament no lineal i un punt d’inflexió social, a partir del qual la dispersió s’accelera de manera molt marcada.

L’estudi descriu i quantifica, per primera vegada, un tipping point social

Actualment es parla sovint dels punts d’inflexió o tipping points dels ecosistemes, a partir dels quals la seva dinàmica pateix canvis grans que poden implicar extinció d’espècies i pèrdua de biodiversitat. Aquests canvis de règim, que s’han identificat en molts estudis teòrics i en sistemes reals, són moltes vegades irreversibles.

Aquest estudi presenta una novetat en el món de la ciència, el concepte de tipping point social, en aquest cas relacionat amb la dispersió dels ocells en funció de la mida poblacional. Aquest punt d’inflexió social implica que quan la dispersió afecta a un nombre llindar d’individus, la resta còpia aquest comportament com en un allau. Aquesta resposta abrupta, que en diem no-lineal, en la dispersió, va causar el col·lapse de la colònia en tan sols 12 anys.

El Dr. Sardanyés explica que: “Gràcies al model matemàtic hem pogut estimar els paràmetres ecològics de la població i demostrar que el mecanisme més important en la fugida de les gavines entre el 2006 i el 2017 va ser el de la còpia social. A més a més, el model ha permès, per primera vegada, quantificar un punt d’inflexió social (social tipping point) a la Natura en el context de les metapoblacions, que és un concepte ecològic molt important que té implicacions en la persistència de les espècies i en la gestió ambiental. Fins ara, la majoria de models de metapoblacions assumien que la dispersió era exponencial i augmentava amb la mida poblacional. Nosaltres hem determinat que en algunes espècies això no té perquè ser així. Així doncs, el nostre treball aporta informació molt valuosa per a fer models de metapoblacions per espècies socials que mostrin aquest tipus de comportament ”.

En un context de canvi global, entendre el col·lapse de les poblacions és fonamental

El resultat d’aquesta recerca també es podria generalitzar per estudiar els processos de pertorbació en ecosistemes estables i per respostes d’espècies socials a pertorbacions externes.

Aquest tipus de procés s’assembla molt al que es registra en poblacions humanes sotmeses a una pertorbació severa al llarg del temps, com ara els conflictes bèl·lics”, diu el Prof. Daniel Oro, “i posa de manifest la transcendència d’un comportament tant senzill com la còpia social en les respostes inesperades de les poblacions, com ara els col·lapses”.

L’estudi mostra el paper que juga el comportament col·lectiu auto-organitzat en la dinàmica poblacional i en el col·lapse de les poblacions d’espècies socials.

“Aquest treball és el resultat de la intuïció d’un ecòleg (en Daniel Oro) sobre la importància de la còpia social en la dispersió d’una espècie colonial”, explica el Dr. Josep Sardanyés. “I també és un exemple de treball interdisciplinari, amb elements d’ecologia, estadística, intel·ligència artificial, sistemes dinàmics, i modelització matemàtica. La caracterització i la quantificació de la resposta en la dispersió en funció de la mida poblacional, que hem vist que és altament no lineal i que varia de manera no trivial, no s’hauria pogut obtenir sense utilitzar la modelització matemàtica”.

Referència:

D. Oro, Ll. Alsedà, A. Hastings, M. Genovart, J. Sardanyés. Social copying drives a tipping point for nonlinear population collapse. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 120(11), e2214055120 (2023) doi:10.1073/pnas.2214055120.

Contacte: Josep Sardanyés

CRM Comm Team

CRM Comm Team

Anna Drou | Pau Varela

CRMComm@crm.cat

Stay updated to our mailing list to get the lastest information about CRM activities.

Participació del CRM a l’EspaiCiència

Participació del CRM a l’EspaiCiència

El passat 13 de març, Andrea Suárez, Fernando Gastón i Marcel Morillas, de la Unitat de Transferència del Coneixement del CRM (KTU), juntament amb Pau Varela i Mariona Fucho, de comunicació i divulgació, van participar a l’EspaiCiència dins del...

El matemàtic francès Michel Talagrand guardonat amb el premi Abel 2024

El matemàtic francès Michel Talagrand guardonat amb el premi Abel 2024

El Premi Abel 2024 ha estat atorgat a Michel Talagrand, matemàtic del Centre Nacional de la Recerca Científica (CNRS) a París, França. Talagrand ha desenvolupat la seva recerca en la teoria de probabilitats i l’anàlisi funcional, disciplines que investiguen el comportament dels processos aleatoris i les propietats dels espais i funcions. El Premi Abel, sovint comparat amb el Premi Nobel de matemàtiques, va ser establert pel govern noruec el 2002 per honorar el 200è aniversari del naixement de Niels Henrik Abel, un matemàtic noruec.

Estudiants de l’Institut La Vall del Tenes de Barcelona visiten el CRM

Estudiants de l’Institut La Vall del Tenes de Barcelona visiten el CRM

Més de cinquanta estudiants de l’Institut La Vall del Tenes de Barcelona van visitar el Centre de Recerca Matemàtica (CRM) el 21 de març, com a part de la seva participació en les proves Cangur. Durant la visita, els estudiants van poder conèixer de primera mà el món de la recerca científica a través de tres investigadors predoctorals del CRM, que van compartir els seus coneixements i experiències en camps tan diversos com la biologia matemàtica, neurociència i sistemes dinàmics.

El CRM participa en l’Exporecerca Jove donant un premi especial

El CRM participa en l’Exporecerca Jove donant un premi especial

El CRM va participar a l’edició de l’Exporecerca Jove celebrada del 6 al 9 de març, on va atorgar un premi especial al millor treball de matemàtiques o de contingut matemàtic. L’Exporecerca Jove és una fira de recerca internacional per a estudiants de secundària i batxillerat. Els projectes són avaluats per un jurat qualificat.

I Concurs Visible Figures – Matemàtiques

I Concurs Visible Figures – Matemàtiques

En celebració de l'11 de Febrer, el Dia de la Dona i la Nena en la Ciència, el Centre de Recerca Matemàtica va organitzar el I Concurs Visible Figures - Dones Matemàtiques. En aquest concurs, els i les participants havien de cercar els diferents...

Call for applications: CRM Director

Call for applications: CRM Director

The Centre de Recerca Matemàtica (CRM) is a CERCA institute created in 1984 by the Institut d’Estudis Catalans. Its remit is to be a resource of excellence in mathematical research and training at international level. Its specific aims are: 1....

Un nou projecte internacional investigarà el paper dels receptors d’acetilcolina en la formació i estabilització de la memòria.

Un nou projecte internacional investigarà el paper dels receptors d’acetilcolina en la formació i estabilització de la memòria.

Aquesta investigació és dirigida per Alex Roxin, investigador principal del grup de neurociència del CRM, i Yingxue Wang, de l’Institut de Neurociència Max Planck a Florida, amb el suport financer del programa CRCNS de la National Science Foundation dels EUA. S’explorarà l’impacte dels receptors muscarínics d’acetilcolina (mAChRs) en la creació i la consistència dels patrons d’activitat del cervell que formen part de la nostra memòria, especialment en les neurones piramidals de l’hipocamp en la zona CA1. Combinant teoria i experiments pràctics, i utilitzant les últimes eines neurofarmacològiques, aquest projecte pot identificar objectius específics per tractar trastorns de la memòria, com l’Alzheimer.