Modelling ecological niches with support vector machines

1. The ecological niche is a fundamental biological concept. Modelling species' niches is central to numerous ecological applications, including predicting species invasions, identifying reservoirs for disease, nature reserve design and forecasting the effects of anthropogenic and natural climate change on species' ranges. 2. A computational analogue of Hutchinson's ecological niche concept (the multidimensional hyperspace of species' environmental requirements) is the support of the distribution of environments in which the species persist. Recently developed machine-learning algorithms can estimate the support of such high-dimensional distributions. We show how support vector machines can be used to map ecological niches using only observations of species presence to train distribution models for 106 species of woody plants and trees in a montane environment using up to nine environmental covariates. 3. We compared the accuracy of three methods that differ in their approaches to reducing model complexity. We tested models with independent observations of both species presence and species absence. We found that the simplest procedure, which uses all available variables and no pre-processing to reduce correlation, was best overall. Ecological niche models based on support vector machines are theoretically superior to models that rely on simulating pseudo-absence data and are comparable in empirical tests. 4. Synthesis and applications. Accurate species distribution models are crucial for effective environmental planning, management and conservation, and for unravelling the role of the environment in human health and welfare. Models based on distribution estimation rather than classification overcome theoretical and practical obstacles that pervade species distribution modelling. In particular, ecological niche models based on machine-learning algorithms for estimating the support of a statistical distribution provide a promising new approach to identifying species' potential distributions and to project changes in these distributions as a result of climate change, land use and landscape alteration.

Ecology and life history affect different aspects of the population structure of 27 high-alpine plants.

A plant species' genetic population structure is the result of a complex combination of its life history, ecological preferences, position in the ecosystem and historical factors. As a result, many different statistical methods exist that measure different aspects of species' genetic structure. However, little is known about how these methods are interrelated and how they are related to a species' ecology and life history. In this study, we used the IntraBioDiv amplified fragment length polymorphisms data set from 27 high-alpine species to calculate eight genetic summary statistics that we jointly correlate to a set of six ecological and life-history traits. We found that there is a large amount of redundancy among the calculated summary statistics and that there is a significant association with the matrix of species traits. In a multivariate analysis, two main aspects of population structure were visible among the 27 species. The first aspect is related to the species' dispersal capacities and the second is most likely related to the species' postglacial recolonization of the Alps. Furthermore, we found that some summary statistics, most importantly Mantel's r and Jost's D, show different behaviour than expected based on theory. We therefore advise caution in drawing too strong conclusions from these statistics.

Maintenance of polymorphism : a theoretical approach using multilocus systems

Résumé La thématique de cette thèse peut être résumée par le célèbre paradoxe de biologie évolutive sur le maintien du polymorphisme face à la sélection et par l'équation du changement de fréquence gamétique au cours du temps dû, à la sélection. La fréquence d'un gamète xi à la génération (t + 1) est: !!!Equation tronquée!!! Cette équation est utilisée pour générer des données utlisée tout au long de ce travail pour 2, 3 et 4 locus dialléliques. Le potentiel de l'avantage de l'hétérozygote pour le maintien du polymorphisme est le sujet de la première partie. La définition commune de l'avantage de l'hétérozygote n'etant applicable qu'a un locus ayant 2 allèles, cet avantage est redéfini pour un système multilocus sur les bases de précédentes études. En utilisant 5 définitions différentes de l'avantage de l'hétérozygote, je montre que cet avantage ne peut être un mécanisme général dans le maintien du polymorphisme sous sélection. L'étude de l'influence de locus non-détectés sur les processus évolutifs, seconde partie de cette thèse, est motivée par les travaux moléculaires ayant pour but de découvrir le nombre de locus codant pour un trait. La plupart de ces études sous-estiment le nombre de locus. Je montre que des locus non-détectés augmentent la probabilité d'observer du polymorphisme sous sélection. De plus, les conclusions sur les facteurs de maintien du polymorphisme peuvent être trompeuses si tous les locus ne sont pas détectés. Dans la troisième partie, je m'intéresse à la valeur attendue de variance additive après un goulot d'étranglement pour des traits sélectionés. Une études précédente montre que le niveau de variance additive après goulot d'étranglement augmente avec le nombre de loci. Je montre que le niveau de variance additive après un goulot d'étranglement augmente (comparé à des traits neutres), mais indépendamment du nombre de loci. Par contre, le taux de recombinaison a une forte influence, entre autre en regénérant les gamètes disparus suite au goulot d'étranglement. La dernière partie de ce travail de thèse décrit un programme pour le logiciel de statistique R. Ce programme permet d'itérer l'équation ci-dessus en variant les paramètres de sélection, recombinaison et de taille de populations pour 2, 3 et 4 locus dialléliques. Cette thèse montre qu'utiliser un système multilocus permet d'obtenir des résultats non-conformes à ceux issus de systèmes rnonolocus (la référence en génétique des populations). Ce programme ouvre donc d'intéressantes perspectives en génétique des populations. Abstract The subject of this PhD thesis can be summarized by one famous paradox of evolu-tionary biology: the maintenance of polymorphism in the face of selection, and one classical equation of theoretical population genetics: the changes in gametic frequencies due to selection and recombination. The frequency of gamete xi at generation (t + 1) is given by: !!! Truncated equation!!! This equation is used to generate data on selection at two, three, and four diallelic loci for the different parts of this work. The first part focuses on the potential of heterozygote advantage to maintain genetic polymorphism. Results of previous studies are used to (re)define heterozygote advantage for multilocus systems, since the classical definition is for one diallelic locus. I use 5 different definitions of heterozygote advantage. And for these five definitions, I show that heterozygote advantage is not a general mechanism for the maintenance of polymorphism. The study of the influence of undetected loci on evolutionary processes (second part of this work) is motivated by molecular works which aim at discovering the loci coding for a trait. For most of these works, some coding loci remains undetected. I show that undetected loci increases the probability of maintaining polymorphism under selection. In addition, conclusions about the factor that maintain polymorphism can be misleading if not all loci are considered. This is, therefore, only when all loci are detected that exact conclusions on the level of maintained polymorphism or on the factor(s) that maintain(s) polymorphism could be drawn. In the third part, the focus is on the expected release of additive genetic variance after bottleneck for selected traits. A previous study shows that the expected release of additive variance increases with an increase in the number of loci. I show that the expected release of additive variance after bottleneck increases for selected traits (compared with neutral), but this increase is not a function of the number of loci, but function of the recombination rate. Finally, the last part of this PhD thesis is a description of a package for the statistical software R that implements the Equation given above. It allows to generate data for different scenario regarding selection, recombination, and population size. This package opens perspectives for the theoretical population genetics that mainly focuses on one locus, while this work shows that increasing the number of loci leads not necessarily to straightforward results.

L'équité d'accès aux ressources en eau : fin ou moyen d'amélioration de l'efficacité de l'irrigation ? : la gestion des ressources en eau dans l'état du Gujarat (Inde) dans la perpective de la political ecology

La thèse présentée ici est le résultat d'une étroite collaboration avec une ONG indienne, AKRSP(I), intervenant dans le développement de l'irrigation au Gujarat depuis plus de 25 ans. Un SIG prototype a été mis en oeuvre et nous permet de proposer ime analyse spatiale et quantitative de l'action de cette ONG ainsi qu'une réflexion plus générale sur les leviers de mise en valeur et de gestion des ressources en eau à des fins agricoles. On peut souligner trois principaux enseignements: Les perspectives d'application des SIG au sein des ONG sont manifestes. Les exigences des bailleurs de fonds peuvent néanmoins faire obstacle à leur développement car, indi-rectement, ils favorisent la mise en oeuvre de SI voués à la justification plutôt qu'à la planification et au suivi des programmes d'actions. Ce résultat soulève la question de la pertinence de l'encadrement, des critères d'évaluation et de la conditionnalité de l'aide publique au développement. Les ONG ont un fort potentiel pour participer à la mise en valeur des ressources en eau en Inde et aider à relever le défi agro-démographique indien, en particulier dans les zones marginales où les services étatiques sont en retrait. Les stratégies d'action basées principalement sur l'application des instruments économiques et techniques doivent cependant être modifiées. Nous montrons qu'elles favorisent une inégalité d'accès aux ressources qui débouche sur une efficacité limitée des pratiques d'irrigation, sur un plan agro-technique. Ces résultats soulignent la nécessité de poursuivre une réflexion critique des discours et solutions dominants en matière de gestion des ressources en eau. Deux pistes d'amélioration sont avancées: 1. considérer l'équité d'accès comme un moyen d'optimiser la gestion de la ressource (limiter le volume d'eau par agriculteur pour encourager les choix de cultures irriguées peu consommatrices et l'adoption des technologies d'économie d'eau), 2. prêter attention à l'ordre dans lequel les différents instruments de gestion disponibles sont employés afin de les articuler dans un séquençage temporel pertinent. La Political Ecology apparait comme un cadre conceptuel très pertinent pour engager cette réflexion critique. Elle permet d'intégrer différentes échelles d'asymétries de pouvoirs à la compréhension des situations et des blocages observables localement : inégalités de capabilités et forces socio-politiques à l'échelle locale, politiques agro-industrielles (coton) et jeux d'alliances politiques des castes à l'échelle nationale, discours et conflits idéologiques ou orientations stratégiques des bailleurs de fonds à l'échelle internationale... Notre recherche empirique contribue modestement au développement de cette Political Ecology de la mise en valeur et de la gestion des ressources en eau. - The present research is based on a close collaboration with an indian NGO, AKRSP(I), which is active in the development of irrigation facilities in Gujarat for the past 25 years. We built a GIS prototype providing quantitative and spatial datas to analyse the NGO intervention and propose a general reflection about water resources development and management issues. Three main findings may be emphasized : The potential of GIS within the workings of an NGO is obvious, as an information ma-nagement tool as much as for developing analytical capacity. However, financial backers expectations may not favour a relevant development of this technology. Indirectly, they promote Information Systems built to justify rather than to plan or monitor action pro¬grammes. This raises the question of stricter framework, conditionality criters and stan¬dardised assessment indicators surrounding official development assistance. There is strong potential that NGOs can assist with the improvement of water resources in India. They can help in overcoming Indian demographic-related agricultural challenges, especially in marginal rural areas neglected by state services. However, intervention strategies mainly based on technical and economic management tools has to be adapted. We found that they lead to inequitable access and distribution of water resources what induces a low efficiency of irrigation practices from an agro-technical point of view. These results underline the need to go further in criticizing dominant ideas and guidelines regarding water resources management. We suggest two other options : 1. to consider equitable access has a tool to improve the effective use of water for agricul¬tural purposes (limiting the volume of water available per farmer would encourage them to adopt low water consumption crops and water saving technics), 2. to consider more carefully the order of use of the various management tools available and to structure them in a relevant sequence. Here, Political Ecology seems to be a relevant conceptual framework to enter into such a critical reflection, integrating different levels and scales of political asymmetries at the core of environmental issues. Indeed, the understanding of regional water situations and social stumbling blocks needs not only to consider local capabilities and socio-political inequities, but also agro-industrial policy (e.i. cotton) and caste political alliances at a national scale, as well as ideological and narrative struggles or strategical orientations of financial backers at an international level. Our empirical research modestly contributes to the development of such a Political Ecology of water resources development and management.

Natural genetic variation in Arabidopsis: tools, traits and prospects for evolutionary ecology.

BACKGROUND: The model plant Arabidopsis thaliana (Arabidopsis) shows a wide range of genetic and trait variation among wild accessions. Because of its unparalleled biological and genomic resources, the potential of Arabidopsis for molecular genetic analysis of this natural variation has increased dramatically in recent years. SCOPE: Advanced genomics has accelerated molecular phylogenetic analysis and gene identification by quantitative trait loci (QTL) mapping and/or association mapping in Arabidopsis. In particular, QTL mapping utilizing natural accessions is now becoming a major strategy of gene isolation, offering an alternative to artificial mutant lines. Furthermore, the genomic information is used by researchers to uncover the signature of natural selection acting on the genes that contribute to phenotypic variation. The evolutionary significance of such genes has been evaluated in traits such as disease resistance and flowering time. However, although molecular hallmarks of selection have been found for the genes in question, a corresponding ecological scenario of adaptive evolution has been difficult to prove. Ecological strategies, including reciprocal transplant experiments and competition experiments, and utilizing near-isogenic lines of alleles of interest will be a powerful tool to measure the relative fitness of phenotypic and/or allelic variants. CONCLUSIONS: As the plant model organism, Arabidopsis provides a wealth of molecular background information for evolutionary genetics. Because genetic diversity between and within Arabidopsis populations is much higher than anticipated, combining this background information with ecological approaches might well establish Arabidopsis as a model organism for plant evolutionary ecology.

Seminari Principis i mètodes en ecologia del paisatge Girona, 10 i 11 de juny de 1999

Els dies 10 i 11 de juny de 1999 va tenir lloc a la Universitat de Girona el seminari Principis i mètodes en ecologia del paisatge, impartit pel Dr. Almo Farina, director del Museu d’Història Natural de Lunigiana (Toscana). L’objectiu era l’aprofundiment de la base teòrica, metodològica i conceptual d’aquesta nova perspectiva científica, caracteritzada per una voluntat integradora de postulats desenvolupats tant des de les ciències naturals com socials

Seminari Principis i mètodes en ecologia del paisatge Girona, 10 i 11 de juny de 1999

Els dies 10 i 11 de juny de 1999 va tenir lloc a la Universitat de Girona el seminari Principis i mètodes en ecologia del paisatge, impartit pel Dr. Almo Farina, director del Museu d’Història Natural de Lunigiana (Toscana). L’objectiu era l’aprofundiment de la base teòrica, metodològica i conceptual d’aquesta nova perspectiva científica, caracteritzada per una voluntat integradora de postulats desenvolupats tant des de les ciències naturals com socials

Ecology of species living on dead wood : lessons for dead wood management

Abstract

Habitat fragmentation, ecology and sexual selection in forest bird species in Monteverde, Costa Rica

Abstract Forest fragmentation is often associated with local extinction and changes in species abundance patterns. The main topic of this thesis is the effect of forest fragmentation on birds in Monteverde, Costa Rica. This thesis also studies aspects of sexual selection and ecology of Long-tailed Manakins, Chiroxiphia Linearis. Chapter 1 investigates bird species assemblages in two degrees of forest fragmentation. It is shown that the distribution, abundance and diversity of forest bird species are strongly influenced by the amount of forest in the landscape matrix. Presence of cattle within the forest influences the presence of some bird species. The prevalence and intensity of ticks and blood parasites on birds in relation to fragmentation is described in Chapter 2. Overall tick prevalence is 3%. Understory birds are significantly more infested with ticks than species at intermediate heights. Tick prevalence on birds does not differ significantly between two degrees of forest fragmentation and individual tick loads tend to be higher in High- than in Low-fragmentation sites. Infestations by the blood parasites Haemoproteus sp. was low except in white-eared ground sparrow, Melozone leucotis, that is 28% and is significantly higher in High- than in Low-fragmentation sites. In chapter 3 results on the ecology and habitat movements of the Bare-necked Umbrellabird, Cephalopterus glabricollis, are presented. The abundance of umbrellabirds at high elevations during the breeding season coincides with the highest peak of fruit abundance. Birds leave the protected area during the non-breeding season moving to unprotected forest fragments. In chapter 4 ontogenetic changes in feather morphology through sexual maturity in Long-tailed Manakins are described. In adult males, rectrices length is positively correlated to testis volume. Changes in male morphology during ontogeny in the long-tailed manakin appear to be associated with their specific-display behaviours. Significant interpopulation differences in the morphology of Long-tailed Manakins are shown in chapter 5. These differences are more accentuated in morphological traits related to flight displays. A field experiment demonstrates that long rectrices impose flying costs for males and females. A reduction in flying ability was found to be strongest in males from a population presenting the highest degree of sexual dimorphism. Résumé La fragmentation des forêts est souvent associée avec des modifications dans l'abondance des espèces et des extinctions locales. Le thème principale de cette thèse est l'étude de l'effet de la fragmentation des forêts sur les oiseaux de Monteverde, Costa Rica. Elle décrit par ailleurs certains aspects de la sélection sexuelle et l'écologie du manakin à longue queue, Chiroxiphia linearis. Dans le Chapitre 1 je montre que la distribution, l'abondance et la diversité des assemblages d'oiseaux vivant dans la forêt sont fortement influencées pas le degré de fragmentation de celle ci. Par ailleurs, la présence ou l'absence de bétail dans les forêts influence la présence de certaines espèces d'oiseaux. Dans le chapitre 2 j'ai étudié la prévalence et l'intensité d'infestation par des tiques ainsi que la présence de parasites sanguins chez les oiseaux en relation avec la fragmentation des forêts. La prévalence globale de tiques est de 3 %, les oiseaux vivant au niveau du sol étaient plus souvent infectés par des tiques que les espèces se déplaçant à un niveau plus élevé. La prévalence de tiques sur les oiseaux n'était pas significativement différente entre les paysages avec différentes fragmentations. Les parasites sanguins du genre Haemoproteus sp. étaient présents à très basse fréquence à l'exception chez Melozone leucotis ou la prevalence était de 28% et significativement plus élevée chez les oiseaux vivant dans les forêts à forte fragmentation. Dans le Chapitre 3 je présente des résultats sur l'écologie et les mouvements entre habitats chez le "Bare-necked umbrellabird", Cephalopterus glabricollis. Cette espèce endémique du Costa Rica niche à haute altitude durant la période d'abondance des fruits et réalise une migration altitudinale vers des zones basses durant la saison de non reproduction. Dans le chapitre 4 je présente les changements ontogénétiques dans la morphologie du plumage des manakins à longue queue. Chez les mâles, les changements de morphologie semblent être associés avec leurs comportements de parade spécifiques. Dans le chapitre 5 je présente des différences morphologiques significative entre deux populations chez le manakin à longue queue et je montre que la capacité de vols chez les mâles est plus fortement influencée dans la population avec le degré de dimorphisme sexuel le plus prononcé.

Evolutionary ecology of the colour-dimorphic rewardless orchid "Dactylorhiza sambucina"

Abstract Phenotypic polymorphism is an ideal system to study natural selection in wild populations, because it allows tracking population genetic changes by means of phenotypic changes. A wide variety of polymorphic traits have been studied in numerous animals and plants, as for example colour patterns in moths, snails and birds, human laterality, male reproductive strategies, plant morphology or mating systems. This thesis focused on Dactylorhiza sarnbucina, a rewardless European orchid species, showing a striking flower colour polymorphism, with either yellow or red flowered individuals co-occurring in natural populations. Several studies have investigated its evolutionary ecology since Nilsson's seminal paper in 1980, with a particular emphasis in the evolution and maintenance of its colour polymorphism. One of the main selective forces proposed to maintain this colour polymorphism was pollinator driven negative frequency-dependent selection (NFDS), when each morph is advantaged when rare, and comparatively disadvantaged when common. However, other investigators have recently questioned the occurrence of NFDS, and proposed alternatively that fluctuating selection may maintain this colour polymorphism. In this thesis, we aimed at reviewing and synthesizing these different studies, and also brought our contribution on D. sambucina reproductive ecology. Because numerous hypotheses have still to be tested, we concluded by saying that we are a long way from understanding the evolution and dynamics of colour polymorphism in natural D. sambucina populations. Beside the debated question of colour polymorphism maintenance, one question remained to be tested: what are the consequences of polymorphism per se. We experimentally addressed this question using artificial populations of D. sambucina, and found no relationship between population phenotypic diversity and orchid pollination success. This finding suggest that polymorphism itself was not an advantage for deceptive species such D sambucina, contrarily to the expectations. Finally, we suggest potential research perspectives that could allow a better understanding of the evolutionary ecology of this species. Résumé Le polymorphisme phénotypique est un système biologique idéal pour étudier l'action de la sélection en populations naturelles, grâce à la possibilité de suivre les changements génétiques de la population en étudiant les phénotypes des individus. De très nombreuses études ont montré du polymorphisme phénotypique chez les animaux, par exemple la latéralité chez l'Homme, la coloration des escargots ou des oiseaux. Dans le règne végétal, le polymorphisme est souvent associé à des traits du système de reproduction. Cette thèse est centrée sur une espèce d'orchidée Européenne qui ne produit pas de nectar, Dactylorhiza sambucina. Cette espèce présente des individus à fleurs jaunes et des individus à fleurs rouge, généralement présents en mélange dans les populations naturelles. Plusieurs études ont investigué l'écologie évolutive de cette espèce depuis 25 ans, avec comme thème central l'évolution et le maintien de ce polymorphisme. La principale force sélective proposée pour maintenir ce polymorphisme de couleur est la sélection fréquence-dépendante, exercée par le comportement des pollinisateurs. Chacun des deux variants de couleur est favorisé quand il est rare, et défavorisé quand il devient commun. Bien que ce mécanisme semble agir, certains auteurs doutent de son importance, et ont proposé que les variations temporelles ou spatiales des forces de sélection puisse maintenir le polymorphisme de couleur chez D. sambucina. Dans cette thèse, nous avons voulu résumer et synthétiser les résultats de ces différentes études, et aussi présenter des données nouvelles concernant la reproduction de cette espèce. À la vue de ces résultats, il apparait que de nombreux points nécessitent des expériences complémentaires, et que la compréhension de ce système biologique est encore fragmentaire. Nous nous sommes également intéressés à une question laissée en suspens dans la littérature: le polymorphisme de couleur en soit confère-t-il un avantage à l'espèce, comme proposé par certains auteurs? En construisant des populations artificielles de D. sambucina, nous avons pu montrer que le polymorphisme de couleur n'augmente pas le succès reproducteur de l'espèce. Nous terminons ce travail de recherche en proposant plusieurs axes de recherche pouvant conduire à une meilleure compréhension de l'écologie et de l'évolution de cette espèce.

Validation des SCORES cliniques: notions théoriques et pratiques de base. [Validation of clinical scores: theoretical and practical basic notions].

Chaque jour, le médecin utilise dans sa pratique des scores cliniques. Ces scores sont souvent des aides à la décision médicale. Les étapes de validation des scores cliniques sont par contre souvent méconnues du médecin. Cette revue rappelle les bases théoriques de la validation d'un score clinique et propose des exercices pratiques. [Abstract] Physicians are using clinical scores on a regular basis. These scores are generally helpful in making medical decisions. However, the process of validation of clinical scores is often unknown to the physicians. This paper reviews the theory of validation of clinical scores and proposes practical exercises.

Sallie Chisholm (1947): Recipient of the 2013 Ramon Margalef Prize in Ecology.

The Ramon Margalez Prize in Ecology is awarded annually by the Goverment of Catalonia to recognize people who have distinghished themselves in the field of ecological science. Among the events that are held in connection with the award-giving ceremony, the University of Barcelona hosts a seminar by the awardee followed by a roundtable discussion.

Progress in front propagation research

We review the progress in the field of front propagation in recent years. We survey many physical, biophysical and cross-disciplinary applications, including reduced-variable models of combustion flames, Reid's paradox of rapid forest range expansions, the European colonization of North America during the 19th century, the Neolithic transition in Europe from 13 000 to 5000 years ago, the description of subsistence boundaries, the formation of cultural boundaries, the spread of genetic mutations, theory and experiments on virus infections, models of cancer tumors, etc. Recent theoretical advances are unified in a single framework, encompassing very diverse systems such as those with biased random walks, distributed delays, sequential reaction and dispersion, cohabitation models, age structure and systems with several interacting species. Directions for future progress are outlined