Krantenkoppen over extreem weer, smeltende ijskappen en bedreigde diersoorten herinneren dagelijks aan onze veranderende omgeving. De diepgaande omvang en intensiteit van deze uitdagingen kan iemand doen afvragen:"Wat moeten we eerst doen?" Onderzoekers hebben onlangs formules ontwikkeld die helpen bij het beantwoorden van die vraag, waardoor effectief een methode is ontwikkeld om afnemende ecosystemen te triage door hun afstand tot kantelpunten te meten en te vergelijken.

In onderzoek dat zojuist is gepubliceerd in Nature Ecology &Evolution , ontwikkelde een team onder leiding van Jianxi Gao, assistent-professor informatica aan het Rensselaer Polytechnic Institute, vergelijkingen waarmee afstanden tot kantelpunten in verschillende mutualistische systemen kunnen worden vergeleken. Met andere woorden, voor het eerst kunnen verschillende omgevingen worden geanalyseerd in hoeverre ze volledig en misschien onherroepelijk veranderen, en ze kunnen met andere worden vergeleken om te bepalen welke gebieden het meest dringend moeten worden ingegrepen.

Voorheen konden wetenschappers vroege waarschuwingssignalen detecteren dat een systeem zijn kantelpunt nadert, maar ze waren niet in staat om een ​​exacte waarde toe te kennen aan de afstand van een systeem tot het kantelpunt. De waarde kan bepalen hoe waarschijnlijk het is dat een systeem vanuit de gewenste toestand naar de ongewenste toestand overgaat, of hoe gemakkelijk een omslagpunt kan worden bereikt.

Het team van Gao ontwikkelde een algemene benadering voor dimensiereductie om de gegevens in complexe systemen te vereenvoudigen, waardoor nauwkeurige metingen van afstanden tot kantelpunten in diverse ecosystemen mogelijk zijn. Het team heeft ook een schaalfactor ontwikkeld die de veerkracht van verschillende systemen op dezelfde schaal plaatst, zodat ze kunnen worden vergeleken.

"Met zoveel ecosystemen die worstelen met de gevolgen van klimaatverandering, is het van cruciaal belang om aan te geven hoe weinig tijd we nog hebben om in te grijpen voordat een omslagpunt is bereikt", zegt Curt Breneman, decaan van de Rensselaer School of Science. "Mobilisatie zal niet gebeuren zonder een gevoel van urgentie."

Gao's team bestudeerde 54 verschillende omgevingen van over de hele wereld en analyseerde de vele factoren die hun veerkracht beheersen. Verlies van soorten, invasies, menselijke activiteiten en veranderingen in het milieu veroorzaken allemaal "verstoringen" in een ecosysteem, maar de kans op instorting wordt bepaald door de structurele eigenschappen van het ecosysteem. Als er bijvoorbeeld een paar bomen worden gekapt in een dicht bos, zal de impact op het ecosysteem minimaal zijn omdat er nieuwe bomen zullen groeien en het systeem zich weer in de vorige staat zal herstellen. In een gebied waar bomen ontbreken, kan het verlies van een paar echter een grotere impact hebben en kan het systeem overgaan in een ongewenste toestand waaruit het moeilijk te herstellen is. In wiskundige termen is veerkracht de afstand tot de grens van het aantrekkingsbassin.

"Als een van de aantrekkingskrachten bijvoorbeeld het bos is en de andere de savanne, kan het systeem vanwege vele factoren al dan niet naar de savanne worden verplaatst," zei Gao. "De basis van aantrekking verwijst naar het gebied van deze factoren in de hoogdimensionale ruimte. Waar is het bosgebied waar het, als je de grens overschrijdt, verandert in savanne? Als een systeem binnen de grens blijft, zal het altijd herstellen. Alleen wanneer het een waarde overschrijdt, verandert het in een andere staat en kan het niet meer herstellen."

Gao's team is van mening dat de methode niet alleen kan worden gebruikt om de veerkracht van ecologische systemen te bepalen, maar ook biologische, technische en sociale systemen. "De benadering van dimensiereductie is zeer algemeen en kan worden toegepast op verschillende soorten systemen", zei Gao. "Het is universeel." Het team heeft bijvoorbeeld ook het omslagpunt gemeten binnen een supply chain-netwerk.

Op een optimistische noot, het onderzoek van het team wordt niet afgesloten met omslagpunten. Ze streven ook naar een herstelalgoritme voor wanneer systemen falen.

Gao werd in het onderzoek vergezeld door Huixin Zhang en Weidong Zhang van de Shanghai Jiao Tong University, Qi "Ryan" Wang van de Northeastern University en Shlomo Havlin van de Bar-Ilan University. + Verder verkennen

'Sensing system' ziet worstelende ecosystemen