En ny metod för att förutsäga vändpunkter - ögonblicket då plötsliga förändringar inträffar i komplexa nätverkssystem - kan erbjuda insikter som förhindrar colony collapse disorder (CCD), ett fenomen där majoriteten av arbetsbina i en koloni försvinner, hotar jordbruksekonomin på global nivå.

Under 2015-2016, Amerikanska biodlare förlorade 44 procent av sina honungsbikolonier, enligt en undersökning som delvis finansierats av det amerikanska jordbruksdepartementet.

Pappret, "Förutsäga tipppunkter i ömsesidiga nätverk genom dimensionsminskning, " publicerades denna vecka i Förfaranden från National Academy of Sciences som en utökad forskningsartikel ( PNAS Plus ), utvecklades av ett team av forskare från Arizona State University och universitet i Kina, USA., och U.K.

Forskarna använde som sitt modellsystem 59 empiriska pollinator-växtnätverk (pollineringsinteraktioner mellan bin och växter) från en mängd olika kontinenter och klimatzoner, och kom fram till en tvådimensionell modell som exakt kan förutsäga förekomsten av tipppunkter i varje nätverkssystem. En tipppunkt i ett nätverk för pollinerare och växter är när alla beståndsbestånd (bin och växter) minskar noll.

Nätverkssystem sträcker sig från ekosystem och jordens klimat till ekonomiska, sociala och infrastruktursystem som elnätet. Tipppunkter, eller "fasförändringar, " uppstår när komponenterna i ett system börjar interagera på ett annat sätt, manifesteras som en plötslig förändring i systemomfattande beteende.

Vanliga exempel på tipppunkter är när uppvärmning av vatten når den temperatur vid vilken det börjar koka eller när ett ämne smälter från ett fast ämne till en vätska.

"I ett pollinator-växtnätverk, en tipppunkt är det kritiska värdet för en viss parameter, till exempel antalet borttagna bi -arter eller dödligheten för bi -arterna, där populationerna av alla bi- och växtarter minskar abrupt till nära nollvärden, " förklarade tidningens huvudförfattare Ying Cheng Lai, professor i el, data- och energiteknik på ASU. "Den samtidiga kollapsen av alla bi- och växtpopulationer uppstår eftersom de är ömsesidigt förbundna och interagerar med varandra på ett mycket olinjärt sätt."

När väl en tipppunkt förutspås, kontrollstrategier kan utvecklas för att fördröja eller till och med förhindra att det inträffar. "Till exempel, vi kan fokusera på en viss biart och skydda dess överflöd genom att introducera fler bin för att hålla populationen på en jämn nivå, "sa Lai." Eller så kan vi göra policyer för att eliminera användningen av vissa bekämpningsmedel som är skadliga för denna art av bin. "

För varje verkligt nätverk, teamet beräknade två typiska resiliensfunktioner och jämförde dem med de från motsvarande reducerade 2D-modell. "Vi fann en god överenskommelse över hela linjen för alla 59 empiriska mutualistiska nätverk, leder till slutsatsen att vår 2D-modell exakt kan förutsäga förekomsten av en tipppunkt även i närvaro av slumpmässiga störningar, " sa Lai.

Den reducerade modellen kan fungera som ett paradigm för att förstå och förutsäga tipppunktsdynamiken i den verkliga världen för att skydda pollinatörer, och den allmänna principen är brett tillämpbar för att ta itu med frågorna om motståndskraft och hållbarhet inom andra vetenskaps- och ingenjörsdiscipliner.

"Förekomsten av en tipppunkt är av stor oro eftersom det kan leda till en plötslig och total kollaps av systemet, " förklarade Lai. "Att förutsäga vändpunkten och förstå de ansvarsfulla dynamiska processerna är avgörande för att formulera effektiva kontrollstrategier för att fördröja eller till och med förhindra att det inträffar. Detta kommer att vara av stort värde för att skydda och upprätthålla komplexa system som är av avgörande betydelse för det moderna samhället och människoliv. "