Från de djupaste haven till de högsta bergen gör klimatförändringar orsakade av människor en djupgående inverkan på djur och växter runt om i världen, med många arter som drivs till randen av utrotning av stigande temperaturer.

Från björnar till älgar till lodjur och till och med ekorrar och grodor, djur lämnar sina hem på jakt efter svalare klimat när planeten värms upp. Faktum är att ungefär hälften av världens 4 000 arter är på väg, och många vandrar norrut mot högre breddgrader.

För ekologer och naturvårdare är det viktigt att förstå hur dessa arters livskraftiga livsmiljöer expanderar och drar ihop sig i samband med ett snabbt föränderligt klimat. Som sådan används modellering av artfördelning ofta för att förutsäga migrationsvanor och lämpliga livsmiljöer för arter under olika miljöförhållanden.

Men nuvarande modeller kan ge felaktiga och alltför optimistiska resultat, eftersom de inte tar hänsyn till en nyckelfråga:Kan en art realistiskt nå ett lämpligt klimat innan det är för sent?

Alla miljöer är inte lämpliga för alla arter, och djur skiftar och migrerar i olika takt baserat på en rad faktorer, såsom rörlighet, reproduktionsförmåga eller landskapsegenskaper. Inom ekologi är detta känt som en spridningsgräns eller begränsning.

"När vi tänker på klimatförändringarnas inverkan på arternas livsmiljö, måste vi fråga:Var kan arterna leva i framtiden under klimatförändringar, men ännu viktigare, kan de komma dit?" sa Bistra Dilkina, docent i datavetenskap vid USC och meddirektör för USC:s Center for Artificial Intelligence in Society.

"Vi måste dynamiskt och exakt bedöma bevarandeprioriteringar och det är mycket viktigt att få rätt verktyg för att förstå framtida problem."

Det är därför Dilkina slog sig ihop med Georgia Tech biogeograferna Jenny McGuire, en biträdande professor, och Ben Shipley, en Ph.D. kandidat, att skapa MegaSDM, det första modelleringsverktyget som tar hänsyn till spridningsgränser för många arter, klimatmodeller och tidsperioder samtidigt.

När en lista över arter och miljödata tillhandahålls, producerar modellen en serie kartor som illustrerar hur arter rör sig över tiden i olika scenarier under klimatförändringar.

Ett skifte norrut

I en ny artikel modellerade teamet 165 nordamerikanska däggdjurs utbredning 2010 och projicerade till 2050 och 2070 under två scenarier:med spridningsgränser och utan. De fann en förutsägbar minskning av den totala artrikedomen från 2010 till 2070 över Nordamerika, och en liten men synlig förskjutning norrut.

Men kartan med spridningsbegränsningar lät en allvarlig varning:Många arter kommer inte att kunna kolonisera alla tillgängliga lämpliga livsmiljöer 2070.

"När spridningshastigheten beaktas ser framtiden mörkare ut än vi hade förväntat oss", säger McGuire.

"När vi tittar på förändringar i habitatets lämplighet över tid ser vi habitatkrympning söderut, och habitatlämplighetsutvidgningen mot norr, vilket är att förvänta. Men viktigast av allt, när vi integrerar spridningsbegränsningar i analysen ser vi också en hel del habitatets lämplighetsvinster går förlorade på grund av spridningsgränser."

Som ett resultat kan modellen tillåta forskare att skina nytt ljus över vilka arter som verkligen riskerar att dö ut på grund av klimatförändringar. Tidigare studier tyder på att arter med långsam spridningshastighet – inklusive primater, smuss, mullvadar och arter från opossumordningen – löper störst risk, åtminstone på västra halvklotet.

Också i riskzonen är arter i kallt väder på hög höjd som pika, ett litet bergsdjur som kan överhettas och dö i temperaturer så milda som 78 grader Fahrenheit. Trots sjunkande antal har det lilla däggdjuret nekats status som hotad art med studier som tyder på att det kommer att migrera till kallare områden i uppförsbackar.

Men med hänsyn till spridningsbegränsningar ser framtiden mindre optimistisk ut för pikan.

"Pikas är osannolikt att flytta runt mycket under året, så deras spridningshastigheter är ganska låga. Som ett resultat, även om någon ny lämplig livsmiljö öppnade upp på en bergskedja i norr, kan det vara osannolikt att någon population av pika skulle etablera sig där, och när klimatet värms upp kommer deras livsmiljöer att krympa, säger Shipley.

"Kartan utan spridningsbegränsningar kan visa en expansion till kallare och högre bergskedjor, medan en spridningsbegränsad karta skulle visa en minskning av livsmiljön utan en motsvarande expansion över tiden."

Möjliggör framtida åtgärder

En annan fördel med MegaSDM:Den kan syntetisera många arter, tidsperioder och klimatscenarier samtidigt. Genom att skriva ut unika kartor som beskriver förändringarna i arternas utbredningsområde, gör det det möjligt för forskare att förutsäga artutbredning fram och tillbaka i tiden för att förutse var en art potentiellt kan leva i framtiden.

"De flesta av de nuvarande teknikerna som används av artdistributionsmodeller är statiska, så de projicerar bara till en enda tidsperiod, och de inkluderar inte aspekter av rörelse över landskap," sa Shipley. "Men MegaSDM använder en flerstegs tidsmetod, så att du kan tillämpa dessa distributionsmodeller på tidigare eller nuvarande tidsperioder och visa dynamiska rörelser, som att expandera och krympa intervallstorlekar."

Det gör det också möjligt för forskare att särskilja effekterna av klimatförändringar kontra andra hinder för migration – till exempel stadsutveckling eller olämpliga livsmiljöer.

"Om vi ​​tittar på just idag får vi inte en fullständig bild av alla olika klimat där en art kan leva," sa McGuire. "Verktyget låter oss känna igen när en art begränsas av andra typer av påverkan, och det gör att vi bättre kan förutse var de potentiellt kan leva i framtiden och att identifiera potentiella områden för restaurering."

Att utveckla verktyget med öppen källkod krävde noggrann systemutveckling och planering för att avgöra hur man skapar ett modulärt system med minsta minneskrav, säger Dilkina, dr. Allen och Charlotte Ginsburgs tidiga karriärstol i datavetenskap.

Först modellerade forskarna habitatets lämplighet för arter med hjälp av relevant allmänt tillgänglig data, såsom lager av geografiska informationssystem (GIS), inklusive höjd, marktäcke, urbaniseringsnivå och skogsplantering. Därefter tittade de på var dessa arter har upptäckts och klimatdata för nutid och framtid.

Framöver planerar teamet att använda verktyget för att identifiera arter med den högsta risken i hopp om att strategiskt implementera bevarandestrategier, t.ex. djurlivets språngstenar eller korridorer, för att utöka anslutningsmöjligheterna för bevarade landskap.

"Klimatförändringarna är här snabbare än vi förväntat oss", sa Dilkina. "Att bygga verktygen för att hjälpa oss att göra kvantitativa förutsägelser om vad som kommer att hända är extremt viktigt, och jag tror att detta kommer att stärka framtida åtgärder för att bevara biologisk mångfald och insatser för att mildra klimatförändringar."

Studien publicerades i Ecography . + Utforska vidare

"Moth-motorvägar" kan hjälpa till att motstå klimatförändringens effekter