Die Modellierung von Prozessen ermöglicht es, die Funktionen interagierender Komponenten zu verstehen, Prozessbestandteile zu identifizieren und die Folgen von Systemänderungen vorherzusagen. Leider ist ein ehemals wichtiger Bereich der Finanzmodellierung heute weitgehend diskreditiert, was uns allen schadet; andere Bereiche wie das Versicherungswesen sind durch Regeln und Vorschriften so stark eingeschränkt, dass sie praktisch nutzlos geworden sind. Die biologische Modellierung hingegen entwickelt sich rasant, sei es im Hinblick auf subzelluläre Vorgänge, die Entwicklung ganzer Organismen oder die Epidemiologie von Krankheiten. Diese Woche Professor Xueron Mao hat ein Treffen organisiert (siehe vorheriger Blogbeitrag). an der University of Strathclyde in Glasgow, Schottland, zum Thema „Stochastic Modeling in Ecosystems“ (Link zum Tagungsprogramm).
In der Woche, die den 20. Jahrestag der Konferenz der Vereinten Nationen über Umwelt und Entwicklung von 1992 („Rio-Gipfel“) markierte, fragte ich mich nach den Auswirkungen der Ökosystemmodellierung auf die wichtigsten Politikbereiche, die auf der Konferenz diskutiert wurden Rio + 20-Gipfel im Juni 2012. Hatte ich eine verpasst gesamten Bereich der Literatur in den letzten 10 Jahren? Wöchentlich berichten uns die Nachrichtenmedien über die Ergebnisse der neuesten Modelle des Klimawandels, während ich jeden Monat Artikel über Pflanzen- und Photosynthesemodelle lese, ganz zu schweigen von erstaunlichen Arbeiten zu vielen einzelnen Pflanzenarten, einschließlich Sonderausgaben und Sammelbände von Annals of Botany. Wie viele UN-bezogene Organisationen und Tagungen verfügt die Konferenz für nachhaltige Entwicklung über eine große Menge an untermauernder „grauer Literatur“ – in Auftrag gegebene Berichte und Forschungsergebnisse mit starkem wissenschaftlichem Inhalt (wenn auch oft nicht vollständig oder endgültig und daher nicht für die Veröffentlichung in referierten Zeitschriften geeignet ). Allerdings, ein Suche auf der UN-Website zeigt keine Ansätze zur Modellierung von Ökosystemen (oder tatsächlich „Modellierung“): Die 14 Diskussionen zum Thema Modellierung drehen sich alle um Wirtschaft und Finanzen. Die Google-Scholar-Suche zeigt nur wenige wichtige Arbeiten des letzten Jahrzehnts mit an Stichwort Modellierung/Modellierung und Ökosysteme.
Vielleicht ist die Modellierung eines ganzen Ökosystems eine zu große Herausforderung: Ein Modell muss Input, Output und Stoffflüsse innerhalb eines Systems definieren. Das Ökosystem umfasst Kreisläufe und Netzwerke mit Hunderten von Arten und Millionen von Interaktionen von der subzellulären Ebene aufwärts. In meinem Eröffnungsvortrag kam ich zu dem Schluss, dass sich die Outputs in drei Bereiche einteilen lassen. Erstens chemische Energie, hauptsächlich in Form von fixiertem Kohlenstoff, der außerhalb des direkten Ökosystems als Nahrung, Futtermittel, Fasern und Brennstoff genutzt wird. Zweitens wird ein kleiner, aber wichtiger Teil des Stoffflusses aus dem System entfernt, insbesondere in die langfristigen Kohlenstoffspeicher Kalkstein und fossile Brennstoffe. Die dritte Gruppe von Outputs kann als „Ökosystemleistungen“ betrachtet werden, darunter gereinigtes (oder auch verschmutztes) Wasser, dessen Reinheit und Durchflussrate sich vom Eingangszustand unterscheiden, oder die Reduktion von Kohlendioxid zu Sauerstoff. Die Folien meines Vortrags finden Sie hier: Slideshare.com unter pathh, und vielleicht mache ich irgendwann mal einen gekürzten Kommentar für YouTube.
Heslop-Harrison Stochastische Modellierung in Ökosystemen – Einführungsvortrag
Bei dem Treffen wurden wir mit einer Reihe von Vorträgen verwöhnt, die von Modellen von Kohlenstoffkreisläufen über Populations- und Vegetationsdynamiken bis hin zu Modellen der Krankheitsepidemiologie reichten. Es ist immer spannend, wenn verschiedene Forschungsgemeinschaften zusammenkommen, daher war es sehr wertvoll, von den Mathematikern auf dem Treffen zu hören und mit ihnen zu sprechen, auch wenn es einige Unterschiede in unseren Sprachen gibt!
Es ist immer lästig, einzelne Vorträge aus einem vollen Programm herauszupicken, und das vollständige Auflistung finden Sie hier. Da sich dieser Blog auf Pflanzen bezieht, werde ich die beeindruckenden Vorträge von Mathew Williams (Universität Edinburgh) erwähnen, in denen diskutiert wird, wie sich Gigatonnen Kohlenstoff in den terrestrischen (und tatsächlich atmosphärischen) Kohlenstoffkreisläufen bewegen, wobei globale Messungen in einem Experiment namens FLUXNET verwendet werden mit weltraumgestützten Messungen großräumige Veränderungen der Waldbiomasse über einen Zeitraum von nur drei Jahren untersuchen könnte. Mein Mitarbeiter Jongrae Kim (Universität Glasgow http://www.robustlab.org/) hielt den nächsten Vortrag und diskutierte einige formale Ansätze zur Modularisierung komplexer Netzwerke in seinem Vortrag über die Robustheitsanalyse von Gemeinschaftsstrukturen, die von großer Relevanz sind, um sehr große Netzwerke einer Analyse zugänglich zu machen. Francesco Accantino präsentierte ein Modell des Überflusses und der Veränderungen von drei Akazie Arten in feuchten Savannen, die einem Matrixmodell Stochastik hinzufügten, was eine gute Verbindung zu Pierre Couteron (IRD, Montpellier) herstellte, der an anderen Standorten in Subsahara-Afrika arbeitete. Pierre modellierte die Verteilungsmuster der fleckigen Vegetation und zeigte die Auswirkungen von Niederschlag und Neigung in beiden stabilen Systemen und die Veränderungen in den letzten 50 Jahren. Die Fernerkundung liefert viel mehr Daten, als Ökologen jemals hatten, und interessanterweise kann Pierre für viele seiner Analysen das frei verfügbare Google Earth verwenden. Nach wertvollen Vorträgen zu Aspekten der Epidemiologie in mehreren Systemen baute das Abschlusspapier von Carlo de Michele (Politecnico di Milano, Italien) auf früheren Vorträgen über Wasser als Hauptdeterminante des Vegetationstyps auf – das Thema Ökohydrologie als Studium der Hydrologie Ökologie untermauert. Wie bei mehreren anderen Vorträgen könnte die Modellierung von Wasser ein bistabiles System mit zwei Lösungen aus nacktem Boden (geringe Niederschläge) oder vegetativer Bodenbedeckung (hohe Niederschläge) ergeben, wobei die Auswirkungen der Stochasizität von Niederschlägen auf das Bodenwasser in Verbindung mit Vegetationssystemen berücksichtigt werden. Die Überraschung war, dass die Ergebnisse nicht nur das Verhalten von Wüsten im Vergleich zu aktuellen Waldökosystemen beschreiben, sondern auch jährliche Veränderungen in Savannen mit trockenen, kahlen Perioden, gefolgt von bewuchsbedeckten Regenzeiten.
„Stochastische Modellierung in Ökosystemen“ hat noch einen langen Weg vor sich, bevor sie zur „Stochastischen Modellierung von Ökosystemen“ wird. Genetik, Messmethoden und Parametrisierung von Eigenschaften kommen von den Biologen, die mit ihrem gestiegenen Verständnis von Robustheit, Oszillation und Netzwerkreduktion sowie rechnerischen Ansätzen auf die Modellierungsgemeinschaft treffen. Ich freue mich darauf, dass die Entscheidungen bei Rio+30 durch Empfehlungen untermauert werden, die auf rigorosen und robusten Modellen basieren, die zeigen, wie wir Ökosysteme nutzen können, ohne die Erde zu zerstören.
