De nouveaux modèles de recherche modélisent les conditions critiques d’effondrement climatique dans les systèmes écologiques et biologiques

Alors que les humains continuent de causer des dommages environnementaux à travers le changement climatique, prévoir les points de non-retour devient plus crucial que jamais. Partout dans le monde, l’humanité et la nature sont confrontées à l’augmentation des températures, à la sécheresse, aux incendies de forêt, aux ouragans, à l’élévation du niveau de la mer et bien plus encore.

Ying-Cheng Lai, professeur Regents de génie électrique dans les écoles d'ingénierie Ira A. Fulton de l'Arizona State University, dirige des projets étudiant l'impact des basculements induits par les tarifs sur l'environnement naturel. Le basculement induit par le taux quantifie la vitesse à laquelle un système change pour atteindre un point de basculement, ou le moment critique auquel se produit un dommage majeur à l'écosystème, comme l'extinction d'espèces vitales.

Les derniers efforts de Lai et de ses collègues ont analysé l'impact du basculement induit par le taux sur les organismes qui dépendent les uns des autres pour leur survie, comme les cellules photosynthétiques et les coraux qui en dépendent dans un récif. À l’aide de modèles mathématiques, les chercheurs ont découvert que pour éviter les catastrophes environnementales, un système devrait arrêter autant que possible son rythme de changement, plutôt que simplement le ralentir.

Les recherches de l'équipe ont donné lieu à l'article intitulé « Taux induits par le basculement dans des réseaux écologiques complexes de grande dimension », publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences.

Une nouvelle frontière pour la recherche sur les pourboires induits par les tarifs

Alors que la recherche sur les points de basculement est un domaine bien établi, Lai et ses collègues, qui pour ce projet comprenaient Shirin Panahi, boursière postdoctorale en génie électrique des écoles Fulton ; Younghae Do, professeur de mathématiques à l'Université nationale Kyungpook de Corée du Sud ; et Alan Hastings, professeur émérite distingué spécialisé en écologie théorique à l'Université de Californie à Davis, ont adopté une nouvelle approche pour examiner la progression des taux d'état d'un système afin de déterminer le moment où un système s'effondrera.

Ils ont constaté que les recherches précédentes dans le domaine se concentraient spécifiquement sur certains points de l'espace des phases, qui reposent sur la localisation spatiale des états du système et leurs taux associés, plutôt que d'observer l'image complète de tous les points accessibles dans l'espace des états du système sous-jacent. .

Lai et son équipe ont cherché à déterminer la probabilité d'un basculement induit par le taux dans l'ensemble de l'espace d'état, puis ont utilisé les données correspondantes pour élaborer une théorie mathématique qui pourrait être appliquée de manière générale aux systèmes des domaines écologique et biologique.

Évaluation de l'impact environnemental

Un exemple écologique des applications de la recherche consiste à analyser l'effet des taux de dégradation de l'environnement provoqués par le changement climatique sur les coraux et leurs zooxanthelles, qui sont des organismes microscopiques qui vivent dans les coraux et leur fournissent de la nourriture par la photosynthèse.

Alors que les océans se réchauffent en raison de l’absorption de plus de carbone provenant des émissions d’origine humaine, les scientifiques peuvent utiliser la recherche sur le basculement induit par le taux pour déterminer quand l’eau plus chaude causera des dommages irréversibles aux coraux. Un exemple d’effondrement du système est lorsque le stress thermique provoque la séparation des zooxanthelles des coraux hôtes et laisse les coraux dans un état vulnérable, souvent mis en évidence par le blanchissement des coraux.

Étant donné que les coraux abritent une variété de vies récifales, le blanchissement des coraux a d’importantes répercussions en amont sur les écosystèmes, y compris sur les populations humaines qui dépendent des poissons qui vivent dans les récifs pour se nourrir.

“Lorsque le taux de changement des paramètres dépasse une certaine valeur critique, un système peut s'effondrer, dans le sens d'une extinction massive dans un laps de temps relativement court”, explique Lai. “La principale conclusion est que même un changement lent des paramètres peut soudainement conduire à un effondrement du système avec des conséquences catastrophiques.”

Au-delà du changement climatique, la recherche peut également être appliquée aux systèmes biologiques, par exemple pour estimer le taux de changement qui entraîne l'incapacité d'une cellule à remplir sa fonction génétiquement déterminée.

Changer le cours des événements futurs

En fin de compte, Lai souhaite préparer l’humanité à éviter de futures catastrophes ou à atténuer leurs effets grâce à ses recherches sur les basculements induits par les taux. Ses futurs projets dans le domaine visent à approfondir ses connaissances actuelles.

Lai prévoit d'utiliser les résultats de la recherche sur les pourboires induits par les taux pour créer des modèles d'apprentissage automatique capables d'identifier les calamités systémiques pour des applications plus spécifiques. Par exemple, il espère créer un modèle pour prédire l’effondrement potentiel de la circulation méridionale de renversement de l’Atlantique, un système de courant transportant de l’eau chaude et froide à travers l’océan qui maintient le climat doux en Europe occidentale.

Le mouvement des courants ralentit à mesure que les océans se réchauffent, et le modèle d'apprentissage automatique s'appuierait sur les recherches établies de Lai pour déterminer quand l'Europe occidentale devrait se préparer à de graves changements climatiques dus au déclin des courants.