Världens tropiska skogar är i "ett kritiskt tillstånd" där utrotningen av sällsynta trädarter kan vara en vändpunkt, säger forskare som har utvecklat en analysmetod för att kartlägga sin biologiska mångfald.

"Vi är mitt i en utrotningskris, " sa Jayanth R. Banavar, provost och senior vice president vid University of Oregon och tidigare vid University of Maryland i College Park. "Vi förlorar arter kanske snabbare än någonsin tidigare. Det är arternas biologiska mångfald som håller vår planet som den är. Dessa arter har utvecklats över många, många årtusenden. En art som en gång förlorats är borta för alltid."

I en artikel publicerad 18 oktober i tidskriften Vetenskapens framsteg , Banavar, en fysiker, och medförfattare från tre andra universitet avslöjade sina resultat, som är baserade på en matematisk ram som förlitar sig på en mekanistisk modell för födelse-död-invandring av ett ekosystem.

Fördelningen av artöverflöd som studerats av forskarna, känd i matematikvärlden som negativa binomialer, är en generalisering av stockserien som 1943 föreslagits av R.A. Fisher vid University of Cambridge för att förstå det övergripande överflöd av brittiska malarter baserat på siffror som finns i ett litet prov.

För närvarande använda metoder, Banavar sa, har begränsningar som ofta ger felaktiga extrapolationer när man skalar upp från en given provstorlek till hela skogens skala.

Ungefär två femtedelar av världens träd finns i tropiska eller subtropiska skogar. Ändå är långt mindre än 1 procent av trädarterna kända. Den nya metoden identifierar minsta provtagningsstorlekar som behövs för att exakt projicera antalet rikliga och sällsynta träd över skogsregioner. Arter med få träd riskerar att dö ut.

"Vi finner att den tropiska skogen i Panama redan har tillräcklig övervakning, medan andra skogar, som Amazonas, kräver fortfarande omfattande ytterligare provtagning, " sa studiens medförfattare Amos Maritan vid universitetet i Padova i Italien.

Forskarna föreslår att de många extremt sällsynta arterna kan vara av avgörande betydelse för att upprätthålla biologisk mångfald och överlevnad eftersom skogar genomgår globala klimatförändringar och mänskliga aktiviteter.

"Att öka den biologiska mångfalden är inte bara av yttersta vikt för vår planets överlevnad, det är också ett matematiskt problem av stort intresse som redan hade engagerats av många ekologer, ", sa Banavar. "Vi har utvecklat en metod som ger exakta uppskattningar av antalet arter och förekomster som finns i hela ekosystemet."

Den nya metoden, han sa, är baserad på lokal skalainformation och den neutrala ekologiska teorin från Stephen Hubbell vid University of California, Los Angeles, och Smithsonian Tropical Research Institute i Panama. Det framkom i en Nature-tidning från 2007 som tittade på distinkta beteenden hos korallrev och tropiska skogar. Banavar och Maritan var medförfattare, tillsammans med Igor Volkov från University of Maryland i College Park, också medförfattare till den nya forskningen.

För den nya forskningen, Metodiken har ytterligare anpassats och testats på skogsarter både i datorsimuleringar och på tillgängliga data från 15 olika tropiska skogar.

"Vårt tillvägagångssätt visar att på global skala, relativt få arter står för mer än 50 procent av enskilda träd, medan en hög andel arter har mindre än 1, 000 träd, " sa Maritan. "I vår tolkning, detta indikerar att de analyserade ekosystemen beter sig som om de befinner sig i närheten av en kritisk punkt – ett väl studerat fenomen i fasövergångar i fysiska system. Sådana system tenderar att vara utsökt känsliga för små störningar."

Den traditionella metoden börjar med hypotesen att en artförekomstfördelning är en Fisher stock-serie, men det antagandet snedvrider det faktiska antalet arter i skalningsinsatser, sa Banavar.

Dramatiska minskningar av uppskattningar för "hyper-sällsynta" trädarter med den nya metoden sågs i fyra av skogarna som ingick i studien:Caxiuna och Manaus, både i Amazonas, Nouabale i Republiken Kongo, och Volcan Barva i Costa Rica.

"När vi provar mer och mer, vi tenderar att se samma art om och om igen, så formen på kurvan skiftar till där vi inte längre har det största antalet arter med väldigt små antal individer utan snarare har vi ett större antal arter med mellanliggande antal individer. Om du går till en riktig skog, det här är vad du kommer att hitta."

Det nya tillvägagångssättet, Banavar sa, lät teamet ta upp en enkel fråga:Hur många trädarter finns det, faktiskt, finns i Amazonas eller i andra skogar? Och hur många av dem är sällsynta och riskerar att utrotas?

Små fluktuationer, han sa, kan leda till stora förändringar i skogens mångfald och hälsa. Sällsynt art, han sa, tillhandahålla en reservoar för återhämtning och skogens motståndskraft.

"Denna metod låter oss förstå både hur bräcklig den biologiska mångfalden är och hur många arter vi bör fokusera på med bevarandeinsatser, " sa Banavar. "Som vårdare av denna planet, vi vill vårda den art vi har, och vi vill bevara livet för nästa generation."

Den nya metoden, Maritan tillade, är enkel och skulle kunna tillämpas inom andra områden som att förstå mikrobiomens biologiska mångfald.

"Vi presenterar ett bevis på att varje form av en artöverflödsfördelning, även med konstiga toppar, kan uttryckas exakt som en linjär kombination av dessa negativa binomialer. Och uppskalningsproceduren kan härledas exakt under vissa förenklade antaganden, " han sa.