Van de diepste oceanen tot de hoogste bergen, de door de mens veroorzaakte klimaatverandering heeft een diepgaande invloed op dieren en planten over de hele wereld, waarbij veel soorten door stijgende temperaturen op de rand van uitsterven worden gedreven.

Van beren tot elanden tot lynxen, en zelfs eekhoorns en kikkers, dieren verlaten hun huizen op zoek naar koelere klimaten naarmate de planeet warmer wordt. In feite is ongeveer de helft van de 4.000 soorten ter wereld in beweging, en velen migreren naar het noorden naar hogere breedtegraden.

Voor ecologen en natuurbeschermers is het van cruciaal belang om te begrijpen hoe de levensvatbare habitats van deze soorten uitzetten en inkrimpen in de context van een snel veranderend klimaat. Als zodanig wordt soortverdelingsmodellering vaak gebruikt om migratiegewoonten en geschikte habitats voor soorten onder verschillende omgevingsomstandigheden te voorspellen.

Maar de huidige modellen kunnen onnauwkeurige en te optimistische resultaten opleveren, omdat ze geen rekening houden met een belangrijke vraag:kan een soort op realistische wijze een geschikt klimaat bereiken voordat het te laat is?

Niet alle omgevingen zijn geschikt voor elke soort, en dieren verplaatsen en migreren in verschillende snelheden op basis van een reeks factoren, zoals mobiliteit, reproductievermogen of landschapskenmerken. In de ecologie staat dit bekend als een verspreidingslimiet of beperking.

"Als we nadenken over de impact van klimaatverandering op het leefgebied van soorten, moeten we ons afvragen:waar kunnen de soorten in de toekomst leven onder klimaatverandering, maar nog belangrijker, kunnen ze daar komen?" zei Bistra Dilkina, universitair hoofddocent informatica van het USC en mededirecteur van het Center for Artificial Intelligence in Society van het USC.

"We moeten de prioriteiten voor natuurbehoud dynamisch en nauwkeurig beoordelen en het is erg belangrijk om de juiste hulpmiddelen te krijgen om toekomstige zorgen te begrijpen."

Daarom werkte Dilkina samen met Georgia Tech biogeografen Jenny McGuire, een assistent-professor, en Ben Shipley, een Ph.D. kandidaat, om MegaSDM te creëren, de eerste modelleringstool die rekening houdt met verspreidingslimieten voor veel soorten, klimaatmodellen en tijdsperioden tegelijk.

Wanneer een lijst met soorten en milieugegevens wordt verstrekt, produceert het model een reeks kaarten die illustreren hoe soorten zich in de loop van de tijd verplaatsen in verschillende scenario's onder klimaatverandering.

Een verschuiving naar het noorden

In een recent artikel heeft het team de verspreiding van 165 Noord-Amerikaanse zoogdieren in 2010 gemodelleerd en geprojecteerd op 2050 en 2070 onder twee scenario's:met verspreidingslimieten en zonder. Ze vonden een voorspelbare afname van de algemene soortenrijkdom van 2010 tot 2070 in Noord-Amerika, en een kleine maar zichtbare verschuiving naar het noorden.

Maar de kaart met verspreidingsbeperkingen klonk een ernstige waarschuwing:veel soorten zullen in 2070 niet alle beschikbare geschikte habitats kunnen koloniseren.

"Als de verspreidingssnelheid in aanmerking wordt genomen, ziet de toekomst er somberder uit dan we hadden verwacht", zegt McGuire.

"Als we kijken naar veranderingen in de geschiktheid van de habitat in de loop van de tijd, zien we dat de habitat in het zuiden krimpt en de geschiktheid van de habitat in het noorden uitbreidt, wat te verwachten is. Maar belangrijker is dat we, wanneer we de beperkingen van verspreiding in de analyse integreren, ook veel de voordelen van habitatgeschiktheid gaan verloren als gevolg van verspreidingsbeperkingen."

Als gevolg hiervan zou het model onderzoekers in staat kunnen stellen nieuw licht te werpen op welke soorten echt met uitsterven worden bedreigd als gevolg van klimaatverandering. Eerdere studies suggereren dat soorten met een langzame verspreiding - waaronder primaten, spitsmuizen, mollen en soorten van de opossum-orde - het grootste risico lopen, tenminste op het westelijk halfrond.

Ook lopen risico's bij koud weer, hooggelegen soorten zoals de pika, een klein dier dat in de bergen leeft en kan oververhitten en sterven bij temperaturen zo mild als 78 graden Fahrenheit. Ondanks afnemende aantallen, is het kleine zoogdier de status van bedreigde diersoort ontzegd met studies die suggereren dat het zal migreren naar koelere gebieden op de hellingen.

Maar rekening houdend met de verspreidingsbeperkingen, ziet de toekomst er minder optimistisch uit voor de pika.

"Het is onwaarschijnlijk dat pika's zich het hele jaar door veel verplaatsen, dus hun verspreidingssnelheid is vrij laag. Als gevolg hiervan is het onwaarschijnlijk dat, zelfs als er een nieuwe geschikte habitat zou ontstaan ​​​​op een bergketen in het noorden, er geen populatie pika's zou zijn. zich daar zouden vestigen, en naarmate het klimaat warmer wordt, zullen hun leefgebieden krimpen," zei Shipley.

"De kaart zonder verspreidingsbeperkingen kan een uitbreiding naar koudere en hogere bergketens laten zien, terwijl een kaart met verspreidingsbeperkingen een afname van het leefgebied zou laten zien zonder een overeenkomstige uitbreiding in de tijd."

Toekomstige actie mogelijk maken

Nog een voordeel van MegaSDM:het kan vele soorten, tijdsperioden en klimaatscenario's tegelijk synthetiseren. Door unieke kaarten uit te voeren die de veranderingen in het verspreidingsgebied van soorten beschrijven, kunnen onderzoekers de verspreiding van soorten in de tijd voorspellen om te anticiperen waar een soort mogelijk in de toekomst zou kunnen leven.

"De meeste van de huidige technieken die door soortendistributiemodellen worden gebruikt, zijn statisch, dus ze projecteren slechts op een enkele tijdsperiode en bevatten geen aspecten van beweging door landschappen", zei Shipley. "Maar MegaSDM gebruikt een tijdsbenadering in meerdere stappen, dus je kunt deze distributiemodellen toepassen op vroegere of huidige tijdsperioden en dynamische bewegingen laten zien, zoals het vergroten en verkleinen van bereik."

Het stelt onderzoekers ook in staat om de effecten van klimaatverandering te onderscheiden van andere belemmeringen voor migratie, bijvoorbeeld stedelijke ontwikkeling of ongeschikte habitats.

"Als we alleen naar vandaag kijken, krijgen we geen volledig beeld van alle verschillende klimaten waarin een soort kan leven", zei McGuire. "De tool stelt ons in staat om te herkennen wanneer een soort wordt beperkt door andere soorten effecten, en het stelt ons in staat om beter te anticiperen waar ze mogelijk in de toekomst kunnen leven en om potentiële gebieden voor herstel te identificeren."

De ontwikkeling van de open-sourcetool vereiste zorgvuldige systeemengineering en planning om te bepalen hoe een modulair systeem kan worden gemaakt met de minste geheugenvereisten, zei Dilkina, de Dr. Allen en Charlotte Ginsburg Early Career Chair in Computer Science.

Eerst hebben de onderzoekers de habitatgeschiktheid voor soorten gemodelleerd met behulp van relevante openbaar beschikbare gegevens, zoals geografische informatiesystemen (GIS) lagen, inclusief hoogte, landbedekking, verstedelijkingsniveau en bebossing. Vervolgens hebben ze gekeken waar deze soorten zijn aangetroffen, en klimaatgegevens voor nu en de toekomst.

In de toekomst is het team van plan om de tool te gebruiken om soorten met het grootste risico te identificeren in de hoop op strategische wijze natuurbeschermingsstrategieën, springplanken of corridors voor dieren in het wild te implementeren, om de connectiviteit van geconserveerde landschappen uit te breiden.

"Klimaatverandering is hier sneller dan we hadden verwacht", zei Dilkina. "Het bouwen van de tools om ons te helpen kwantitatieve voorspellingen te doen over wat er zal gebeuren, is uiterst belangrijk, en ik geloof dat dit toekomstige acties op het gebied van biodiversiteitsbehoud en mitigatie van klimaatverandering zal versterken."

Het onderzoek is gepubliceerd in Ecography . + Verder verkennen

'Mottensnelwegen' kunnen helpen de impact van klimaatverandering te weerstaan ​​