Critical transitions and emergent boundaries in ecosystems: computer simulations  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
109215
Type K
Principal investigator Oborny, Beáta
Title in Hungarian Kritikus átmenetek és határvonalak kialakulása ökológiai rendszerekben: számítógépes szimulációk
Title in English Critical transitions and emergent boundaries in ecosystems: computer simulations
Keywords in Hungarian Populációdinamika, társulásdinamika, fázisátmenet, önszerveződés, mintázatképződés, ökotón, klímaváltozás
Keywords in English Population dynamics, community dynamics, phase transition, self-organization, pattern formation, ecotone, climate change
Discipline
Environmental biology, ecotoxicology (Council of Complex Environmental Sciences)60 %
Ortelius classification: Modelling (Environmental risks)
Phylogenetics, systematics, taxonomy, comparative biology, ecophysiology (Council of Complex Environmental Sciences)20 %
Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences)20 %
Ortelius classification: Population biology
Panel Ecology and evolution
Department or equivalent Department of Plant Systematics, Ecology and Theoretical Biology (Eötvös Loránd University)
Starting date 2013-12-01
Closing date 2018-11-30
Funding (in million HUF) 8.148
FTE (full time equivalent) 3.00
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

Kutatásainkban az ökoszisztémákban fellépő küszöbjelenségekkel foglalkozunk. Gyakori megfigyelés, hogy a környezet fokozatos változása a populációk és társulások állapotában nem fokozatos, hanem hirtelen változást idéz elő. Például, egy folyamatos klímaeltolódás küszöbjelleggel váltja ki egy populáció kipusztulását, vagy egy inváziós faj szétterjedését. Küszöbjellegű változásokat térben is megfigyelhetünk. A fajok és társulások térbeli eloszlása környezeti grádiensek mentén gyakran éles határral végződik, azaz a denzitás viszonylag kis távolságon belül zuhan magas értékről nullára. A növényzet övezetessége például az ökológia tudományának legrégebbi megfigyelései közé tartozik, ugyanakkor a határvonalak kialakulásának mechanizmusa továbbra is magyarázatra vár. Az ökológiai küszöbjelenségek megértésében fontos - és mindmáig kiaknázatlan - forrás a kritikus átmenetek elmélete, amely a fizika egyik kutatási területe. Előző OTKA pályázatunkban (K61543) áttekintettük a téma ökológiai rendszerekre érvényes elméleti és gyakorlati irodalmát, és több új modellt alkottunk. Jelenlegi pályázatunk célja, hogy továbbfejlesszük e modelleket a praktikus, természetvédelmi alkalmazások felé. Kutatásainkban külön hangsúlyt kap a klímaváltozás populációkra és közösségekre gyakorolt hatásának monitorozása és előrejelzése. A modellek többféle (pozitív és negatív) kölcsönhatás lehetőségét veszik tekintetbe egyrészt a fajok közt, másrészt a környezettel. Fontos eleme a modelleknek a skálafüggő visszacsatolási (feedback) mechanizmusok tekintetbevétele. Térben explicit dinamikus modelleket alkalmazunk, elsősorban sejtautomata modellezési technikákat.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

Fő kérdéseink a következők:
(1) Mik a természetes populációkban azok a legfontosabb mechanizmusok, melyek kritikus átmenetekhez vezetnek?
(2) Milyen biológiailag releváns skálatörvények jellemzik az átmeneteket?
(3) Hogyan gyűjtsünk terepi adatokat (közvetlen megfigyeléssel ill. távérzékeléssel) a monitorozáshoz és az átmenetek előrejelzéséhez?
(4) Fel tudjuk használni a kritikus átmenetek univerzális tulajdonságait arra, hogy a terepen közvetlenül nem mérhető jelenségekről is információt nyerjünk (pl. hosszútávú időbeli változásokról tudjunk előrejelzést tenni rövidtávú, térbeli mintázati adatokból)?
(5) Hogyan függ a térbeli mintázatképződés a következő folyamatok térbeli léptékétől: diszperzió, pozitív és negatív kölcsönhatások
(a) a fajokon belül,
(b) a fajok közt és
(c) a környezettel?
Eddigi eredményeink például azt mutatják, hogy az Allee hatás egy sajátos, újféle fázisátmenethez vezet, és ez jellegzetesen alakítja az elterjedési terület szegélyét (közölve a Physical Review Letters c. folyóiratban; IF= 7.328).
(6) Hogyan függ a térbeli mintázatok (pl. a határvonalak) stabilitása a fent felsorolt tényezőktől?
(7) Hogyan lehet megkülönböztetni a fluktuációkat a trendjellegű eltolódásoktól? E kérdés kulcsfontosságú a klímaváltozás néhány ökológiai hatásának korai felismerése szempontjából. Eddigi eredményeink egy alapvetően új biomonitorozási módszer lehetőségét vetik fel (ld. közleményünket az American Naturalist c. folyóiratban; IF= 4.796). Szeretnénk a módszert további adatokon tesztelni, és készíteni egy felhasználóbarát leírást a terepen dolgozó kollégák számára.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

Két fontos lépést teszünk: (A) Átvisszük a statisztikus fizikában már meglévő ismereteket az elméleti ökológia területére. (B) Továbbfejlesztjük az elméleti ökológiai modelleket a gyakorlati, természetvédelmi alkalmazások felé.
Várható eredmények:
(1) A populációk fázisátmeneteinek általános elmélete, amely egyesíti a statikus (szerkezeti) és dinamikus modelleket.
(2) A fázisátmeneteket jellemző skálatörvények összefoglalása.
(3) Új módszerek a ritka fajok monitorozására, és a kihalási küszöb előrejelzésére.
(4) Új lehetőségek az inváziós fajok monitorozására, és a szétterjedés előrejelzésére. Tesztelhető hipotézisek az inváziós front alakjáról és haladási sebességéről.
(5) Általános elmélet arról, hogyan hatnak a léptékfüggő visszacsatolások az ökológiai közösségek önszerveződésére.
(6) Az elmélet alkalmazása a makroszkópikus vegetációs mintázatok képződésének vizsgálatára. Új lehetőség a
klímaváltozás biomonitorozására a foltmintázat változásai alapján.
(7) Új módszer a klímaváltozás biomonitorozására a növényzeti határok (e.g. erdőhatárok) eltolódásai alapján.
(8) Annak áttekintése, hogy terepi adatok alapján miért nehéz felismerni a küszöbjelenségeket. Három fő probléma kiemelése: (i) kis rendszerméret, (ii) háttér-heterogenitás, és (iii) a steady-state megfigyelésének nehézségei. Utóbbi miatt fontos a tranziens (nemegyensúlyi) viselkedés alapos ismerete. Célunk a terepmunka elősegítése azáltal, hogy tudatosítjuk e nehézségeket, és áttekintjük a megoldások lehetőségeit.
(9) A módszerek tesztelése terepadatokon. Az adatok részben távérzékelésből származnak (ld. American Naturalist cikkünket), részben pedig terepi felvételezésből. Utóbbihoz már van egy részletes adatsorunk a medvehagymáról (Allium ursinum), több helyszínről (Mecsek és Bakony). A medvehagyma adatok alapján célunk, hogy egy populációs fázisátmenet közvetlen bizonyítékát nyújtsuk kísérletekkel alátámasztva.
(10) A fentiek alapján egy gyakorlati kutatóknak szóló összefoglalás, mely segít eldönteni, hogy az adott terepi helyezet összefér-e a kritikus átmenetek elméletével (pl. megfelel-e az előfeltevéseknek), és ha igen, akkor - egy szakértői rendszer módján - ennek megfelelő adatgyűjtési és -feldolgozási módszereket javasol.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A természetes populációk és közösségek védelmének egyik kulcsproblémáját tanulmányozzuk: az ökológiai
küszöbjelenségeket. A környezet fokozatos változása - pl. egy klímaváltozás - hirtelen populációs összeomlásokat, inváziókat, járványokat indíthat el, átalakíthatja az ökoszisztémák fajösszetételét és térbeli szerkezetét. Legfontosabb felvetésünk, hogy számos ilyen hirtelen változás jól megmagyarázható a kritikus átmenetek elmélete alapján. Kutatásaink során a statisztikus fizikában meglévő ismereteket alkalmazzuk ökológiai problémák megoldására. Kiemeljük az elméletből azokat az elemeket, melyeknek természetvédelmi jelentőségük van, és terepadatokon, természetes körülmények között is tesztelhetőek. Külön hangsúlyt kapnak a biomonitorozás módszerei, és a kritikus átmenetek előrejelzésének lehetőségei. A módszereket számítógépes szimulációkban és terepi adatokon teszteljük. Vizsgálataink révén új, még ki nem használt lehetőségekre teszünk javaslatot az élőhelyek és populációk védelmében és természetvédelmi kezelésében.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

We investigate threshold phenomena in ecosystems. Gradual changes in the environment are frequently observed to cause abrupt changes in the states of populations and communities. For example, a gradual climate change can lead to a sudden extinction, or to an outbreak of invasivion. Abrupt changes are observable in space, too. Distributions of single species and communities across altitudinal or latitudinal gradients often have sharp edges, switching from high to zero density within a relatively short distance. For example, the occurrence of vegetation belts is one of the earliest observations in ecology; nevertheless, a general explanation for the emergence of distinct boundaries is still missing. To understand threshold phenomena in ecology, there is a great, yet unexplored potential in the theory of critical transitions, a field that has been extensively studied in physics. In our previous HSRF project (OTKA K61543), we reviewed the ecologically relevant theoretical and empirical literature, and initiated some new models. Our present objective is to develop these models towards practical applications in the protection of wildlife, and management of nature reserves. Special emphasis is given to monitoring and predicting population and community-level effects of climate change. The models shall consider diverse (positive and negative) interactions between species and with the environment. The main focus is on scale-dependent feedback mechanisms. We use spatially explicit dynamic models, primarily cellular automata.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

We address the following questions:
(1) What are the main mechanisms in natural populations that lead to critical transitions?
(2) What are the fundamental, biologically relevant scaling laws that characterize these transitions?
(3) How to monitor and predict critical transitions using data that can be realistically collected in the field (by direct observation or remote sensing)?
(4) Can we utilize the universal features of critical transitions for predicting those phenomena that are not directly measurable in the field (e.g. predicting long-term temporal patterns from snapshot spatial patterns)?
(5) How is the emergence of spatial patterns influenced by the spatial scales of the following basic mechanisms: dispersal, positive and negative interactions
(a) within species,
(b) between species, and
(c) with the environment?
Our preliminary results show, for example, that an Allee effect can lead to a fundamentally new kind of phase transition, and consequently, to a characteristic shape of the range limit (published in Physical Review Letters; IF= 7.370).
(6) How is the stability of spatial patterns (e.g., of recognizable boundaries) influenced by the above-mentioned factors?
(7) How to distinguish fluctuations from trend-like shifts (e.g. range shifts)? This question is crucial for the early detection of some ecological impacts of a climate change. Our previous results suggest an essentially new way of biomonitoring (published in the American Naturalist, IF= 4.796). We wish to test the method on real-life data, and prepare a hands-on description for users.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

We make two important moves: (A) We transfer existing, fundamental knowledge from statistical physics to theoretical ecology. (B) We develop these theoretical ecology models towards practical applications. We expect the following results:
(1) A general theory for phase transitions in biological populations, linking static (structural) and dynamic models.
(2) A review of scaling laws that characterize these transitions.
(3) New methods for monitoring rare species, and predicting extinction thresholds.
(4) New approaches for monitoring invasive species, and predicting an outbreak of invasion. Testable predictions about the shape and velocity of invasion fronts.
(5) Contributions to a general theory for self-organization in natural communities through scale-dependent feedback.
(6) Applications for the study of emergent patterns in the vegetation. New methods for biomonitoring a climate change from the change of patch structure.
(7) New methods for biomonitoring a climate change from the shift of vegetation boundaries (e.g. of treelines).
(8) A review of challenges in detecting ecological thresholds from field data. Three main problems shall be in focus: (i) small system size; (ii) heterogeneity in the background; and (iii) difficulties in observing population steady-states, which necessitates thorough understanding of the transient behavior of the system. Our aim is to facilitate fieldwork by reviewing these challenges, and suggesting potential solutions.
(9) Test of the methods on field data. These partly originate from remote sensing (see our American Naturalist paper); and are partly collected by fieldwork. We have a dataset on Allium ursinum in the Mecsek and Bakony hills in Hungary). Using the A. ursinum data, we aim to provide the first direct demonstration of a critical transition in a natural population, explanained by the underlying pattern-generating mechanism.
(10) A hands-on guide for ecologists, which examines the compatibility of the given ecological settings with the theory (checking the validity of assumptions), and suggests suitable data sampling and processing techniques in the manner of an expert system.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

We address a key problem in the protection of natural populations and communities: ecological threshold phenomena. Gradual changes in the environment, e.g., climate changes, can cause abrupt extinctions, outbreaks of invasions or epidemics. They can disrupt the species composition and spatial pattern of ecosystems. We propose that many of these sudden changes can be explained by the theory of critical transitions. In our research, we transfer existing knowledge from statistical physics to ecology. We select those elements from the theory that have practical relevance, and are testable in ecosystems, in the field. Special emphasis is given to biomonitoring and predicting transitions. For this purpose, we develop a set of new methods, and test them in computer simulations and on field data. The results are expected to provide insight into the management and control of natural habitats and wildlife in a changing environment.





 

Final report

 
Results in Hungarian
Kutatásunk során a természetben élő populációk és közösségek védelmének egyik kulcsproblémáját, az ökológiai küszöbjelenségeket vizsgáltuk. Gyakori megfigyelés, hogy a környezet fokozatos változása (pl. klímaváltozás) esetén nem fokozatos, hanem hirtelen változásokat tapasztalunk a populációkban (pl. fajkihalást vagy inváziót). Felvetettük, hogy a kritikus átmenetek elmélete számos ilyen változásra plauzibilis magyarázatot ad. Így a statisztikus fizika tudásanyagából merítettünk az ökológiai rendszerek jobb megértéséhez, és számos új modellt fejlesztettünk ki a 1) a természetes élőhelyek és 2) a bennük élő populációk szerkezetének és dinamikájának vizsgálatára. Hangsúlyozva az elméleti keret széleskörű alkalmazhatóságát, a következő jelenségeket tanulmányoztuk: I) növényi növekedés élőhelyi foltok között, II) populációk terjedése táji léptékben, valamint III) a fajok elterjedési területeinek eltolódása klímaváltozás következtében. Ezt az elméleti alapot felhasználva egy új, gyakorlati módszerre tettünk javaslatot, melynek célja a fajok klímaváltozás miatti elterjedési terület-változásainak nyomonkövetése és előrejelzése. Összefoglalva: eredményeink azt mutatják, hogy a kritikus jelenségek megértése elengedhetetlen az ökológiai rendszerek fenntartható, megbízható kezeléséhez.
Results in English
We investigated a key problem in the protection of natural populations and communities: ecological threshold phenomena. It is a frequent observation that gradual changes in the environment, e.g., climate changes, can cause abrupt changes in the states of populations (for example, species extinctions or outbreaks of invasions). We propose that the theory of critical transitions gives plausible explanations for many of these sudden changes. We transferred knowledge from statistical physics to ecology, and developed a set of new models, concerning the structure and dynamics of 1) habitats and 2) populations. Emphasizing the broad applicability of this theoretical framework, we studied I) the growth of individual plants among habitat patches, II) the spreading of populations in patchy landscapes, and III) range shifts during a climate change. On this theoretical basis, we proposed a new method for monitoring the effect of climate change on the geographic ranges of species, and for predicting range shifts. In summary, our results suggest that understanding critical phenomena is vital for a sustainable management of ecosystems.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=109215
Decision
Yes





 

List of publications

 
Veronika Benedek, Péter Englert, Beáta Oborny: The effect of branching angle on adaptive growth in patchy environments, Evolutionary Ecology, DOI: 10.1007/s10682-016-9873-0, 2016
Beáta Oborny, Veronika Benedek, Péter Englert, Máté Gulyás, András G. Hubai: The plant in the labyrinth: adaptive growth and branching in heterogeneous environments, Journal of Theoretical Biology 412: 146-153, 2017
Michael T. Gastner, Oborny Beáta, Gulyás Máté: Consensus time in a voter model with concealed and publicly expressed opinions, Journal of Statistical Mechanics 2018/063401: 1-21, 2018
Beáta Oborny: Scaling laws in the fine-scale structure of range margins, MDPI Mathematics 6, 315: 1-13, 2018
Beáta Oborny: The plant body as a network of semi-autonomous agents: a review, Phil. Trans. Roy. Soc. B. (elfogadott cikk, in press), 2019
Gastner, M., Takács, K., Gulyás, M., Szvetelszky, B., Oborny, B.: The impact of hypocrisy on opinion formation: a dynamic model, PLOS ONE (elfogadott cikk), 2019
Oborny Beáta: Kritikus küszöbök és hirtelen összeomlások. Miért nehéz előrejelezni a környezetváltozások ökológiai hatásait?, Természet Világa 2018(2): 69-73, 2018
Benedek, V., Englert, P.: The effect of ramet mortality on clonal growth, Theory in Biosciences (benyújtott kézirat), 2019
Oborny Beáta, Hubai András: Patch size and distance: modelling habitat structure from the perspective of clonal growth, Annals of Botany 114(2), 389-398. old., 2014
Beáta Oborny, Ádám Kun, András G. Hubai, Máté Gulyás, Veronika Benedek, Péter Englert: Adaptation to patch environments by modular growth, Abstracts of the European Conference on Complex Systems 2014, Lucca, 2014
Kun Ádám, Oborny Beáta, Ulf Dieckmann: Splitting, shrinking, and disappearing patches: a dynamical view of habitat loss, Scientific Reports (benyújtott kézirat), 2019
Oborny Beáta, Hubai András G.: Az élőhely növény-perspektívából: foltméretek, távolságok és növekedési válaszok, XV. Kolozsvári Biológus Napok, előadás, 2014
Benedek Veronika, Englert Péter, Oborny Beáta: Képes-e a növény elfoglalni az összes, számára alkalmas szabad helyet? - A növekedést korlátozó tényezők, XV. Kolozsvári Biológus Napok, előadás, 2014
Beáta Oborny: United we stand, divided we fall? - a summary of seven models on physiological integration, Abstracts of the 11th Clonal Plant Workshop, Trebon, Czech Republic, 2015
András G. Hubai, Beáta Oborny: The invasion race: speed and persistence in clonal expansion, Abstracts of the 11th Clonal Plant Workshop, Trebon, Czech Republic, 2015
Veronika Benedek, Péter Englert, Beáta Oborny: „Plant in the labyrinth” – Patch structure and plant architecture limiting clonal growth, Abstracts of the 11th Clonal Plant Workshop, Trebon, Czech Republic, 2015
Oborny Beáta: Mi kell a vegetatív szaporodáshoz? - A forráshasznosításon alapuló érvek áttekintése, A 10. Magyar Ökológus Kongresszus absztraktjai, 2015
Hubai G. András, Oborny Beáta: Térhódítási vágta: kockázat és siker a klonális növekedésben, A 10. Magyar Ökológus Kongresszus absztraktjai, 2015
Benedek Veronika, Englert Péter, Oborny Beáta: „Plant in the labyrinth” – A környezeti heterogenitás és a növekedési lépték viszonya, A 10. Magyar Ökológus Kongresszus absztraktjai, 2015
Beáta Oborny, Veronika Benedek, Péter Englert, Máté Gulyás, András G. Hubai: The plant in the labyrinth: adaptive growth and branching in heterogeneous environments, Journal of Theoretical Biology 412: 146-153, 2016
Veronika Benedek, Péter Englert, Beáta Oborny: The effect of branching angle on adaptive growth in patchy environments., Evolutionary Ecology, DOI: 10.1007/s10682-016-9873-0, 2016
Kun Ádám, Oborny Beáta, Ulf Dieckmann: Splitting, shrinking, and disappearing patches: a dynamical view of habitat loss, Landscape Ecology (benyújtott kézirat), 2017
Michael T. Gastner, Oborny Beáta, Gulyás Máté: Consensus time in a voter model with concealed and publicly expressed opinions, Journal of Statistical Mechanics (elfogadott kézirat), 2018
Oborny Beáta: Kritikus küszöbök és hirtelen összeomlások. Miért nehéz előrejelezni a környezetváltozások ökológiai hatásait?, Természet Világa (in press), 2018
Oborny Beáta: Advancing vs. retreating fronts: The fine-scale dynamics of treeline shifts, Abstracts of the 1st International Conference on Community Ecology, Budapest, 2017
Oborny Beáta: Határzónák és végvárak - Demográfiai és térbeli terjedési tulajdonságok hatásai az elterjedési terület szélén, A 6. Kvantitatív Ökológiai Szimpózium absztraktjai, 2017
Oborny Beáta: Kihalási küszöbök és éles határok az ökológiai rendszerekben, Az MTA Biológiai Osztály ülésén elhangzott előadások kivonatai, 2017
Benedek Veronika, Englert Péter, Oborny Beáta: Klonális növekedési jellegek hatása a terjedésre és térkitöltésre, A 6. Kvantitatív Ökológiai Szimpózium absztraktjai, 2017
Benedek Veronika, Englert Péter, Oborny Beáta: Klonális növények térfoglalása különböző növekedésmintázatok esetén, A XI. Magyar Természetvédelmi Biológiai Konferencia absztraktjai, 2017
Haraszti Helga (témavezetője Oborny Beáta): Milyen módszerekkel állapítják meg a fajok elterjedési határát?, Biológia BSc diplomamunka, 2017
Oborny Beáta: Advancing vs. retreating fronts: The fine-scale dynamics of treeline shifts, Abstracts of the 1st International Conference on Community Ecology, Budapest, 2017
Oborny Beáta: Határzónák és végvárak - Demográfiai és térbeli terjedési tulajdonságok hatásai az elterjedési terület szélén, A 6. Kvantitatív Ökológiai Szimpózium absztraktjai, 2017
Benedek Veronika, Englert Péter, Oborny Beáta: Klonális növekedési jellegek hatása a terjedésre és térkitöltésre, A 6. Kvantitatív Ökológiai Szimpózium absztraktjai, 2017
Oborny Beáta: Kihalási küszöbök és éles határok az ökológiai rendszerekben, Az MTA Biológiai Osztály ülésén elhangzott előadások kivonatai, 2017
Benedek Veronika, Englert Péter, Oborny Beáta: Klonális növények térfoglalása különböző növekedésmintázatok esetén, A XI. Magyar Természetvédelmi Biológiai Konferencia absztraktjai, 2017
Michael Gastner, Beáta Oborny, Máté Gulyás: A voter model with concealed and publicly expressed opinions, Abstracts of the 2018 Conference on Complex Systems, Thessaloniki., 2018




Back »