Global change alters the stability of food webs

Recent research has generally shown that a small change in the number of species in a food web can have consequences both for community structure and ecosystem processes. However 'change' is not limited to just the number of species in a community, but might include an alteration to such properties as precipitation, nutrient cycling and temperature. How such changes might affect species interactions is important, not just through the presence or absence of interactions, but also because the patterning of interaction strengths among species is intimately associated with community stability. Interaction strengths encompass such properties as feeding rates and assimilation efficiencies, and encapsulate functionally important information with regard to ecosystem processes. Interaction strengths represent the pathways and transfer of energy through an ecosystem. We review the best empirical data available detailing the frequency distribution of interaction strengths in communities. We present the underlying (but consistent) pattern of species interactions and discuss the implications of this patterning. We then examine how such a basic pattern might be affected given various scenarios of 'change' and discuss the consequences for community stability and ecosystem functioning.

How does global change affect the strength of trophic interactions?

Recent research has generally shown that a small change in the number of species in a food web can have consequences both for community structure and ecosystem processes. However 'change' is not limited to just the number of species in a community, but might include an alteration to such properties as precipitation, nutrient cycling and temperature, all of which are correlated with productivity. Here we argue that predicted scenarios of global change will result in increased plant productivity. We model three scenarios of change using simple Lotka-Volterra dynamics, which explore how a global change in productivity might affect the strength of local species interactions and detail the consequences for community and ecosystem level stability. Our results indicate that (i) at local scales the average population size of consumers may decline because of poor quality food resources, (ii) that the strength of species interactions at equilibrium may become weaker because of reduced population size, and (iii) that species populations may become more variable and may take longer to recover from environmental or anthropogenic disturbances. At local scales interaction strengths encompass such properties as feeding rates and assimilation efficiencies, and encapsulate functionatty important information with regard to ecosystem processes. Interaction strengths represent the pathways and transfer of energy through an ecosystem. We examine how such local patterns might be affected given various scenarios of 'global change' and discuss the consequences for community stability and ecosystem functioning. (C) 2004 Elsevier GmbH. All rights reserved.

Distinguishing between direct and indirect effects of predators in complex ecosystems

1. Global declines in biodiversity have stimulated much research into the consequences of species loss for ecosystems and the goods and services they provide. Species at higher trophic levels are at greater risk of human-induced extinction yet remarkably little is known about the effects of consumer species loss across multiple trophic levels in natural complex ecosystems. Previous studies have been criticized for lacking experimental realism and appropriate temporal scale, running for short periods that are not sufficient to detect many of the mechanisms operating in the field.
2. We manipulated the presence of two predator species and two groups of their prey (primary consumers) and measured their independent and interactive effects on primary producers in a natural marine benthic system. The presence of predators and their prey was manipulated in the field for 14 months to distinguish clearly the direct and indirect effects of predators on primary producers and to identify mechanisms driving responses.
3. We found that the loss of either predator species had indirect negative effects on species diversity and total cover of primary producers. These cascading effects of predator species loss were mediated by the presence of intermediate consumers. Moreover, the presence of different intermediate consumers, irrespective of the presence or absence of their predators, determined primary producer assemblage structure. We identified direct negative effects of predators on their prey and several indirect effects of predators on primary producers but not all interactions could have been predicted based on trophic level.
4. Our findings demonstrate the importance of trophic cascade effects coupled with non-trophic interactions when predicting the effects of loss of predator species on primary producers and consequently for ecosystem functioning. There is a pressing need for improved understanding of the effects of loss of consumers, based on realistic scenarios of diversity loss, to test conceptual frameworks linking predator diversity to variation in ecosystem functioning and for the protection of biodiversity, ecosystem functioning and related services.

The p-hub Model with Hub-catchment Areas, Existing Hubs, and Simulation: A Case Study of Serbian Intermodal Terminals

This paper addresses the problem of optimally locating intermodal freight terminals in Serbia. To solve this problem and determine the effects of the resulting scenarios, two modeling approaches were combined. The first approach is based on multiple-assignment hub-network design, and the second is based on simulation. The multiple-assignment p-hub network location model was used to determine the optimal location of intermodal terminals. Simulation was used as a tool to estimate intermodal transport flow volumes, due to the unreliability and unavailability of specific statistical data, and as a method for quantitatively analyzing the economic, time, and environmental effects of different scenarios of intermodal terminal development. The results presented here represent a summary, with some extension, of the research realized in the IMOD-X project (Intermodal Solutions for Competitive Transport in Serbia).

Idiosyncratic species effects confound size-based predictions of responses to climate change

Understanding and predicting the consequences of warming for complex ecosystems and indeed individual species remains a major ecological challenge. Here, we investigated the effect of increased seawater temperatures on the metabolic and consumption rates of five distinct marine species. The experimental species reflected different trophic positions within a typical benthic East Atlantic food web, and included a herbivorous gastropod, a scavenging decapod, a predatory echinoderm, a decapod and a benthic-feeding fish. We examined the metabolism-body mass and consumption-body mass scaling for each species, and assessed changes in their consumption efficiencies. Our results indicate that body mass and temperature effects on metabolism were inconsistent across species and that some species were unable to meet metabolic demand at higher temperatures, thus highlighting the vulnerability of individual species to warming. While body size explains a large proportion of the variation in species' physiological responses to warming, it is clear that idiosyncratic species responses, irrespective of body size, complicate predictions of population and ecosystem level response to future scenarios of climate change. © 2012 The Royal Society.

The predictive science of community ecology

Body mass measures provide a tantalizing tool for explaining both variation in emergent community-level patterns and as a mechanistic basis for fundamental processes such as metabolism, consumption and competition. The unification of body mass, abundance and food web (ecological network) structure in community ecology is an effective way to explore future scenarios of environmental change. However, constraints over the availability of data against which to validate model predictions limit the application of size-based approaches. Here, I explore issues over the use of body size for predicting interaction strengths and hence the dynamics of natural ecosystems. The advantages, disadvantages, opportunities and limitations of such approaches are explored. © 2011 The Author. Journal of Animal Ecology © 2011 British Ecological Society.

Characterization of the Kepler-101 planetary system with HARPS-N. A hot super-Neptune with an Earth-sized low-mass companion

We characterize the planetary system Kepler-101 by performing a combined differential evolution Markov chain Monte Carlo analysisof Kepler data and forty radial velocities obtained with the HARPS-N spectrograph. This system was previously validated and iscomposed of a hot super-Neptune, Kepler-101b, and an Earth-sized planet, Kepler-101c. These two planets orbit the slightly evolvedand metal-rich G-type star in 3.49 and 6.03 days, respectively. With mass Mp = 51.1+5.1−4.7 M⊕, radius Rp = 5.77+0.85−0.79 R⊕, and density ρp = 1.45+0.83 −0.48 g cm−3, Kepler-101b is the first fully characterized super-Neptune, and its density suggests that heavy elements makeup a significant fraction of its interior; more than 60% of its total mass. Kepler-101c has a radius of 1.25+0.19−0.17 R⊕, which implies theabsence of any H/He envelope, but its mass could not be determined because of the relative faintness of the parent star for highly precise radial-velocity measurements (Kp = 13.8) and the limited number of radial velocities. The 1σ upper limit, Mp < 3.8 M⊕, excludes a pure iron composition with a probability of 68.3%. The architecture of the planetary system Kepler-101 − containing aclose-in giant planet and an outer Earth-sized planet with a period ratio slightly larger than the 3:2 resonance − is certainly of interest for scenarios of planet formation and evolution. This system does not follow the previously reported trend that the larger planet has the longer period in the majority of Kepler systems of planet pairs with at least one Neptune-sized or larger planet.

The EU Constitution of Social Governance in an Economic Crisis: in Defence of a Transnational Dimension to Social Europe

Conventional wisdom has it that the EU is unable to promote viable social integration, which contrasts with its commitments to improving working and living conditions and to social values and goals such as solidarity, social protection and social inclusion. This
article challenges two diff erent standpoints: on the one hand, competitive neoliberalism demands that the EU focuses on economic integration through legally binding internal market and competition rules even if Member States can only maintain a limited commitment to social inclusion, while authors defending the social models unique to the continent of Europe demand that the EU rescinds some of its established legal principles in order to make breathing space for Member States to maintain market correcting social policies. Both positions convene that there should be no genuine social policy at EU level.
This article uses scenarios of widely discussed rulings by the Court of Justice to illustrate that legally enforceable economic integration would prevent most Member States from achieving sustainable health services, labour relations and free university education on the basis of national closure. Since the EU has limited legislative competences to create EU level institutions to balance inequalities, it derives a Constitution of Social Governance from the EU’s values, proposing that the Court of Justice develops its urisprudence into an instrument for challenging European disunion induced by new EU economic governance

Flexible management of bandwidth and redundancy in fieldbuses

Os sistemas distribuídos embarcados (Distributed Embedded Systems – DES) têm sido usados ao longo dos últimos anos em muitos domínios de aplicação, da robótica, ao controlo de processos industriais passando pela aviónica e pelas aplicações veiculares, esperando-se que esta tendência continue nos próximos anos. A confiança no funcionamento é uma propriedade importante nestes domínios de aplicação, visto que os serviços têm de ser executados em tempo útil e de forma previsível, caso contrário, podem ocorrer danos económicos ou a vida de seres humanos poderá ser posta em causa. Na fase de projecto destes sistemas é impossível prever todos os cenários de falhas devido ao não determinismo do ambiente envolvente, sendo necessária a inclusão de mecanismos de tolerância a falhas. Adicionalmente, algumas destas aplicações requerem muita largura de banda, que também poderá ser usada para a evolução dos sistemas, adicionandolhes novas funcionalidades. A flexibilidade de um sistema é uma propriedade importante, pois permite a sua adaptação às condições e requisitos envolventes, contribuindo também para a simplicidade de manutenção e reparação. Adicionalmente, nos sistemas embarcados, a flexibilidade também é importante por potenciar uma melhor utilização dos, muitas vezes escassos, recursos existentes. Uma forma evidente de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas dos sistemas embarcados distribuídos é a replicação dos barramentos do sistema. Algumas soluções existentes, quer comerciais quer académicas, propõem a replicação dos barramentos para aumento da largura de banda ou para aumento da tolerância a falhas. No entanto e quase invariavelmente, o propósito é apenas um, sendo raras as soluções que disponibilizam uma maior largura de banda e um aumento da tolerância a falhas. Um destes raros exemplos é o FlexRay, com a limitação de apenas ser permitido o uso de dois barramentos. Esta tese apresentada e discute uma proposta para usar a replicação de barramentos de uma forma flexível com o objectivo duplo de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas. A flexibilidade dos protocolos propostos também permite a gestão dinâmica da topologia da rede, sendo o número de barramentos apenas limitado pelo hardware/software. As propostas desta tese foram validadas recorrendo ao barramento de campo CAN – Controller Area Network, escolhido devido à sua grande implantação no mercado. Mais especificamente, as soluções propostas foram implementadas e validadas usando um paradigma que combina flexibilidade com comunicações event-triggered e time-triggered: o FTT – Flexible Time- Triggered. No entanto, uma generalização para CAN nativo é também apresentada e discutida. A inclusão de mecanismos de replicação do barramento impõe a alteração dos antigos protocolos de replicação e substituição do nó mestre, bem como a definição de novos protocolos para esta finalidade. Este trabalho tira partido da arquitectura centralizada e da replicação do nó mestre para suportar de forma eficiente e flexível a replicação de barramentos. Em caso de ocorrência de uma falta num barramento (ou barramentos) que poderia provocar uma falha no sistema, os protocolos e componentes propostos nesta tese fazem com que o sistema reaja, mudando para um modo de funcionamento degradado. As mensagens que estavam a ser transmitidas nos barramentos onde ocorreu a falta são reencaminhadas para os outros barramentos. A replicação do nó mestre baseia-se numa estratégia líder-seguidores (leaderfollowers), onde o líder (leader) controla todo o sistema enquanto os seguidores (followers) servem como nós de reserva. Se um erro ocorrer no nó líder, um dos nós seguidores passará a controlar o sistema de uma forma transparente e mantendo as mesmas funcionalidades. As propostas desta tese foram também generalizadas para CAN nativo, tendo sido para tal propostos dois componentes adicionais. É, desta forma possível ter as mesmas capacidades de tolerância a falhas ao nível dos barramentos juntamente com a gestão dinâmica da topologia de rede. Todas as propostas desta tese foram implementadas e avaliadas. Uma implementação inicial, apenas com um barramento foi avaliada recorrendo a uma aplicação real, uma equipa de futebol robótico onde o protocolo FTT-CAN foi usado no controlo de movimento e da odometria. A avaliação do sistema com múltiplos barramentos foi feita numa plataforma de teste em laboratório. Para tal foi desenvolvido um sistema de injecção de faltas que permite impor faltas nos barramentos e nos nós mestre, e um sistema de medida de atrasos destinado a medir o tempo de resposta após a ocorrência de uma falta.

Numerical modelling of radionuclide migration in near-surface systems

Em todo o mundo são usados, hoje em dia, modelos numéricos hidrogeoquímicos para simular fenómenos naturais e fenómenos decorrentes de actividades antrópicas. Estes modelos ajudam-nos a compreender o ambiente envolvente, a sua variabilidade espacial e evolução temporal. No presente trabalho apresenta-se o desenvolvimento de modelos numéricos hidrogeoquímicos aplicados no contexto do repositório geológico profundo para resíduos nucleares de elevada actividade. A avaliação da performance de um repositório geológico profundo inclui o estudo da evolução geoquímica do repositório, bem como a análise dos cenários de mau funcionamento do repositório, e respectivas consequências ambientais. Se se escaparem acidentalmente radionuclídeos de um repositório, estes poderão atravessar as barreiras de engenharia e barreiras naturais que constituem o repositório, atingindo eventualmente, os ecosistemas superficiais. Neste caso, os sedimentos subsuperficiais constituem a última barreira natural antes dos ecosistemas superficiais. No presente trabalho foram desenvolvidos modelos numéricos que integram processos biogeoquímicos, geoquímicos, hidrodinâmicos e de transporte de solutos, para entender e quantificar a influência destes processos na mobilidade de radionuclídeos em sistemas subsuperficiais. Os resultados alcançados reflectem a robustez dos instrumentos numéricos utilizados para desenvolver simulações descritivas e predictivas de processos hidrogeoquímicos que influenciam a mobilidade de radionuclídeos. A simulação (descritiva) de uma experiência laboratorial revela que a actividade microbiana induz a diminuição do potencial redox da água subterrânea que, por sua vez, favorece a retenção de radionuclídeos sensíveis ao potencial redox, como o urânio. As simulações predictivas indicam que processos de co-precipitação com minerais de elementos maioritários, precipitação de fases puras, intercâmbio catiónico e adsorção à superfície de minerais favorecem a retenção de U, Cs, Sr e Ra na fase sólida de uma argila glaciar e uma moreia rica em calcite. A etiquetagem dos radionuclídeos nas simulações numéricas permitiu concluir que a diluição isotópica joga um papel importante no potencial impacte dos radionuclídeos nos sistemas subsuperficiais. A partir dos resultados das simulações numéricas é possivel calcular coeficientes de distribuição efectivos. Esta metodologia proporciona a simulação de ensaios de traçadores de longa duração que não seriam exequíveis à escala da vida humana. A partir destas simulações podem ser obtidos coeficientes de retardamento que são úteis no contexto da avaliação da performance de repositórios geológicos profundos.

Effects of the climatic factors and anthropogenic actions in the Ria de Aveiro

A compreensão dos impactes das alterações climáticas é fundamental para a gestão a longo do prazo dos ecossistemas estuarinos. Esta compreensão só poderá ser efectiva considerando a variabilidade climática natural e o papel relativo das intervenções antropogénicas nestes ecossistemas. Assim, a presente dissertação analisa a influência das alterações climáticas e pressões antropogénicas na qualidade da água e dinâmica ecológica da Ria de Aveiro com base numa abordagem integrada, que combinou a análise de séries temporais dos últimos 25 anos e a modelação numérica de elevada resolução de cenários futuros de alterações climáticas e intervenções antropogénicas. A componente de modelação de qualidade da água e ecológica foi melhorada a vários níveis. A análise de sensibilidade do modelo 3D hidrodinâmicoecológico ECO-SELFE aplicado à Ria de Aveiro e a revisão das constantes de semi-saturação para absorção de nutrientes pelo fitoplâncton contribuíram para a precisão e robustez das aplicações. A concentração do fitoplâncton foi significativamente influenciada pelas taxas de crescimento do fitoplâncton e de mortalidade e excreção do zooplâncton, e apresentou uma sensibilidade reduzida à variação das constantes de semi-saturação na gama identificada para as diatomáceas. O acoplamento do ECO-SELFE a um modelo de campo próximo e a integração do ciclo do oxigénio aumentaram a sua capacidade de representação dos processos e das escalas espaciais relevantes. A validação do ECO-SELFE foi realizada com base num conjunto de campanhas específicas realizadas no canal de Mira. Os padrões espaciais e temporais observados para as várias variáveis (clorofila a, nutrientes, oxigénio dissolvido, salinidade, temperatura da água, correntes e níveis) foram simulados com erros menores ou semelhantes aos obtidos neste tipo de aplicações. A análise dos padrões de variabilidade espacial e temporal da qualidade da água e ecológica na Ria de Aveiro a diferentes escalas, efectuada com base nos dados históricos de 1985 a 2010 complementados pelas campanhas realizadas, sugeriu uma influência combinada da variabilidade climática e das acções antropogénicas. Os cenários futuros de alterações climáticas e intervenções antropogénicas simulados evidenciaram uma influência mais significativa das alterações climáticas quando comparadas com os efeitos das acções antropogénicas analisadas. As variações mais significativas são previstas para os cenários de subida do nível do mar, seguidos dos cenários de alterações dos regimes hidrológicos, evidenciando o papel da circulação (maré e caudal fluvial) no estabelecimento da qualidade da água e dinâmica ecológica na laguna. Para os cenários de subida do nível do mar são previstos decréscimos significativos da clorofila a e dos nutrientes a jusante e nas zonas intermédias do canal, e um aumento significativo da salinidade a montante. Estas alterações poderão favorecer modificações da composição e distribuição das comunidades, afectando a cadeia alimentar e causando uma progressão para montante de espécies marinhas. Os resultados sugerem ainda que os efeitos poderão ser mais significativos em estuários pouco profundos.

Modelling antropogenic impact on primary production of sado estuary

The assessment of human impact on complex estuarine systems is a multidisciplinary task that is highly demanding in terms of measurements and fieldwork. Nowadays the use of inexpensive and reliably modeling tools can substantially reduce the amount of measurements needed to characterize a system. These tools are also a convenient way to forecast the future evolution of the system and to study the impact of different scenarios of human influence. In this communication a modeling system composed by hydrodynamic, transport and ecological models is used to assess the current trophic state of Sado Estuary (Portugal) and to predict the future trends of the system based on different scenarios of human intervention. Special care is taken to the impact of changing riverine nutrient loads. Sado estuary is a large European estuary that has been considered until now in good trophic conditions with eutrophication appearing only in some isolated spots. Nevertheless in recent years some studies point out that the situation is changing. Sado estuary is a system with strong environmental opposing interests. It hosts a major industrial and urban center around the city of Setúbal and the upper reaches are used to intensive cultures such as rice. On the other hand the estuary possess an important ecological value since it is used by several important species of fish as a spawning and nursery area and it’s wetlands are used by many species of birds as winter shelters. Due to it’s importance the majority of Sado Estuary is considered as Natural Reserve.

Selection and combination of biomarkers to control and prevent the risk of occupational exposure to the mixture of lead, arsenic and manganese

Tese de doutoramento, Farmácia (Toxicologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia, 2014

A multi-agent-based evolution model of innovation networks in dynamic environments

An innovation network can be considered as a complex adaptive system with evolution affected by dynamic environments. This paper establishes a multi-agent-based evolution model of innovation networks under dynamic settings through computational and logical modeling, and a multi-agent system paradigm. This evolution model is composed of several sub-models of agents' knowledge production by independent innovations in dynamic situations, knowledge learning by cooperative innovations covering agents' heterogeneities, decision-making for innovation selections, and knowledge update considering decay factors. On the basis of above-mentioned sub-models, an evolution rule for multi-agent based innovation network system is given. The proposed evolution model can be utilized to simulate and analyze different scenarios of innovation networks in various dynamic environments and support decision-making for innovation network optimization.

Detection of quasi-periodic processes in complex systems: how do we quantitatively describe their properties?

It has been shown that in reality at least two general scenarios of data structuring are possible: (a) a self-similar (SS) scenario when the measured data form an SS structure and (b) a quasi-periodic (QP) scenario when the repeated (strongly correlated) data form random sequences that are almost periodic with respect to each other. In the second case it becomes possible to describe their behavior and express a part of their randomness quantitatively in terms of the deterministic amplitude–frequency response belonging to the generalized Prony spectrum. This possibility allows us to re-examine the conventional concept of measurements and opens a new way for the description of a wide set of different data. In particular, it concerns different complex systems when the ‘best-fit’ model pretending to be the description of the data measured is absent but the barest necessity of description of these data in terms of the reduced number of quantitative parameters exists. The possibilities of the proposed approach and detection algorithm of the QP processes were demonstrated on actual data: spectroscopic data recorded for pure water and acoustic data for a test hole. The suggested methodology allows revising the accepted classification of different incommensurable and self-affine spatial structures and finding accurate interpretation of the generalized Prony spectroscopy that includes the Fourier spectroscopy as a partial case.