Nyhetsrubriker om extremt väder, smältande iskappor och hotade arter är dagliga påminnelser om vår föränderliga miljö. Den djupa omfattningen och intensiteten av dessa utmaningar kan få en att undra, "Vad ska vi göra först?" Forskare utvecklade nyligen formler som hjälper till att besvara den frågan, och skapar effektivt en metod för att triage vikande ekosystem genom att mäta och jämföra deras avstånd till tipppunkter.

I forskning som just publicerats i Nature Ecology &Evolution , ett team ledd av Jianxi Gao, biträdande professor i datavetenskap vid Rensselaer Polytechnic Institute, utvecklade ekvationer som tillåter jämförelse av avstånd till tipppunkter över olika mutualistiska system. Med andra ord, för första gången kan olika miljöer analyseras hur nära de är att bli fullständigt och kanske oåterkalleligt förändrade, och de kan jämföras med andra för att avgöra vilka områden som behöver ingripa som mest akut.

Tidigare kunde forskare upptäcka tidiga varningssignaler om att ett system kan närma sig sin tipppunkt, men de kunde inte tillskriva ett exakt värde till ett systems avstånd från dess tipppunkt. Värdet kan definiera sannolikheten för att ett system skulle övergå till det oönskade tillståndet från det önskade tillståndet, eller hur lätt en tipppunkt kan nås.

Gaos team utvecklade en generell dimensionsminskningsmetod för att förenkla data i komplexa system, vilket möjliggör noggranna mätningar av avstånd till tipppunkter i olika ekosystem. Teamet utvecklade också en skalningsfaktor som placerar motståndskraften hos olika system på samma skala så att de kan jämföras.

"Med så många ekosystem som kämpar för effekterna av klimatförändringarna är det avgörande att kunna förmedla hur lite tid vi har kvar att ingripa innan en tipppunkt nås", säger Curt Breneman, dekanus vid Rensselaer School of Science. "Mobilisering kommer inte att ske utan en känsla av brådska."

Gaos team studerade 54 olika miljöer från hela världen och analyserade de många faktorer som styr deras motståndskraft. Artförluster, invasioner, mänskliga aktiviteter och miljöförändringar orsakar alla "störningar" i ett ekosystem, men dess sannolikhet för kollaps bestäms av ekosystemets strukturella egenskaper. Till exempel, om några träd huggs ner i en tjock skog, blir påverkan på ekosystemet minimal eftersom nya träd kommer att växa och systemet kommer att återhämta sig till sitt tidigare tillstånd. Men i ett område där träd saknas kan förlusten av ett fåtal få en djupare påverkan och systemet kan övergå till ett oönskat tillstånd som det är svårt att återhämta sig ifrån. I matematiska termer är resiliens avståndet till gränsen för attraktionsbassängen.

"Till exempel, om en del av attraktionen är skogen och den andra är savannen, kan systemet eller kanske inte överföras till savannen på grund av många faktorer," sa Gao. "Basen av attraktion hänvisar till regionen av dessa faktorer i högdimensionellt rymden. Var är regionen i skogen där om du korsar gränsen, ändras den till savann? Om ett system förblir i gränsen kommer det alltid att återhämta sig. Endast när den passerar ett värde kommer den att ändras till ett annat tillstånd och inte kan återhämta sig."

Gaos team anser att metoden inte bara kan användas för att bestämma motståndskraften hos ekologiska system, utan även biologiska, tekniska och sociala system. "Den dimensionsreducerande metoden är mycket generell och kan tillämpas på olika typer av system," sa Gao. "Det är universellt." Till exempel mätte teamet också tipppunkten inom ett nätverk av försörjningskedjan.

På en optimistisk ton slutar inte lagets forskning med tipppunkter. De följer också en återställningsalgoritm för när system misslyckas.

Gao fick sällskap i forskningen av Huixin Zhang och Weidong Zhang från Shanghai Jiao Tong University, Qi "Ryan" Wang från Northeastern University och Shlomo Havlin från Bar-Ilan University. + Utforska vidare

"Avkänningssystem" upptäcker kämpande ekosystem