Een nieuwe methode om kantelpunten te voorspellen - het moment waarop plotselinge verandering optreedt in complexe netwerksystemen - kan inzichten bieden die kolonie-instortingsstoornis (CCD) voorkomen, een fenomeen waarbij de meeste werkbijen in een kolonie verdwijnen, een bedreiging voor de agrarische economie op mondiaal niveau.

In 2015-2016, Amerikaanse imkers verloren 44 procent van hun honingbijkolonies, volgens een onderzoek dat gedeeltelijk is gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van landbouw.

De krant, "Het voorspellen van kantelpunten in mutualistische netwerken door middel van dimensiereductie, " deze week gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences als een uitgebreid onderzoeksartikel ( PNAS Plus ), is ontwikkeld door een team van onderzoekers van de Arizona State University en universiteiten in China, de VS, en het VK

De onderzoekers gebruikten als hun modelsysteem 59 empirische bestuivings-plantnetwerken (bestuivingsinteracties tussen bijen en planten) uit verschillende continenten en klimaatzones, en kwamen tot een tweedimensionaal model dat het optreden van kantelpunten in elk netwerksysteem nauwkeurig kan voorspellen. Een omslagpunt in een bestuiver-plantennetwerk is wanneer alle bestuiverspopulaties (bijen en planten) met nul afnemen.

Netwerksystemen variëren van ecosystemen en het klimaat op aarde tot economische, sociale en infrastructurele systemen zoals het elektriciteitsnet. Omslagpunten, of "faseveranderingen, " treedt op wanneer de componenten van een systeem op een andere manier beginnen te interageren, manifesteert zich als een plotselinge verschuiving in systeembreed gedrag.

Veelvoorkomende voorbeelden van kantelpunten zijn wanneer het verwarmen van water de temperatuur bereikt waarop het begint te koken of wanneer een stof van een vaste stof in een vloeistof smelt.

"In een netwerk van bestuivers en planten, een omslagpunt is de kritische waarde van een bepaalde parameter, zoals het aantal verwijderde bijensoorten of het sterftecijfer van de bijensoorten, waarbij de populaties van alle bijen- en plantensoorten abrupt afnemen tot bijna nulwaarden, ", legt hoofdauteur Ying Cheng Lai uit, een professor in de elektrische, computer- en energietechniek bij ASU. "De gelijktijdige ineenstorting van alle bijen- en plantenpopulaties vindt plaats omdat ze onderling verbonden zijn en op een zeer niet-lineaire manier met elkaar omgaan."

Zodra een omslagpunt wordt voorspeld, controlestrategieën kunnen worden ontwikkeld om het optreden ervan te vertragen of zelfs te voorkomen. "Bijvoorbeeld, we kunnen ons concentreren op een bepaalde bijensoort en de overvloed ervan beschermen door meer bijen te introduceren om de populatie op een stabiel niveau te houden, " zei Lai. "Of we kunnen beleid maken om het gebruik van bepaalde pesticiden die schadelijk zijn voor deze bijensoort uit te bannen."

Voor elk echt netwerk, het team berekende twee typische veerkrachtfuncties en vergeleek ze met die van het overeenkomstige gereduceerde 2D-model. "We vonden over de hele linie een goede overeenkomst voor alle 59 empirische mutualistische netwerken, wat leidt tot de conclusie dat ons 2D-model het optreden van een kantelpunt nauwkeurig kan voorspellen, zelfs in de aanwezigheid van willekeurige storingen, ' zei Lay.

Het gereduceerde model kan dienen als een paradigma voor het begrijpen en voorspellen van de omslagpuntdynamiek in de echte wereld voor het beschermen van bestuivers, en het algemene principe is breed toepasbaar op het aanpakken van de problemen van veerkracht en duurzaamheid in andere disciplines van wetenschap en techniek.

"Het optreden van een omslagpunt is van groot belang, omdat dit kan leiden tot een plotselinge en totale ineenstorting van het systeem, " legt Lai uit. "Het omslagpunt voorspellen en de verantwoordelijke dynamische processen begrijpen, zijn essentieel voor het formuleren van effectieve controlestrategieën om het te vertragen of zelfs te voorkomen. Dit zal van grote waarde zijn voor het beschermen en in stand houden van complexe systemen die van cruciaal belang zijn voor de moderne samenleving en het menselijk leven."