Overcoming the rare species modelling paradox: test of a novel hierarchical framework with an Iberian endemic plant

Rare species have restricted geographic ranges, habitat specialization, and/or small population sizes. Datasets on rare species distribution usually have few observations, limited spatial accuracy and lack of valid absences; conversely they provide comprehensive views of species distributions allowing to realistically capture most of their realized environmental niche. Rare species are the most in need of predictive distribution modelling but also the most difficult to model. We refer to this contrast as the "rare species modelling paradox" and propose as a solution developing modelling approaches that deal with a sufficiently large set of predictors, ensuring that statistical models aren't overfitted. Our novel approach fulfils this condition by fitting a large number of bivariate models and averaging them with a weighted ensemble approach. We further propose that this ensemble forecasting is conducted within a hierarchic multi-scale framework. We present two ensemble models for a test species, one at regional and one at local scale, each based on the combination of 630 models. In both cases, we obtained excellent spatial projections, unusual when modelling rare species. Model results highlight, from a statistically sound approach, the effects of multiple drivers in a same modelling framework and at two distinct scales. From this added information, regional models can support accurate forecasts of range dynamics under climate change scenarios, whereas local models allow the assessment of isolated or synergistic impacts of changes in multiple predictors. This novel framework provides a baseline for adaptive conservation, management and monitoring of rare species at distinct spatial and temporal scales.

A reference business process for ecological niche modelling

Ecological niche modelling combines species occurrence points with environmental raster layers in order to obtain models for describing the probabilistic distribution of species. The process to generate an ecological niche model is complex. It requires dealing with a large amount of data, use of different software packages for data conversion, for model generation and for different types of processing and analyses, among other functionalities. A software platform that integrates all requirements under a single and seamless interface would be very helpful for users. Furthermore, since biodiversity modelling is constantly evolving, new requirements are constantly being added in terms of functions, algorithms and data formats. This evolution must be accompanied by any software intended to be used in this area. In this scenario, a Service-Oriented Architecture (SOA) is an appropriate choice for designing such systems. According to SOA best practices and methodologies, the design of a reference business process must be performed prior to the architecture definition. The purpose is to understand the complexities of the process (business process in this context refers to the ecological niche modelling problem) and to design an architecture able to offer a comprehensive solution, called a reference architecture, that can be further detailed when implementing specific systems. This paper presents a reference business process for ecological niche modelling, as part of a major work focused on the definition of a reference architecture based on SOA concepts that will be used to evolve the openModeller software package for species modelling. The basic steps that are performed while developing a model are described, highlighting important aspects, based on the knowledge of modelling experts. In order to illustrate the steps defined for the process, an experiment was developed, modelling the distribution of Ouratea spectabilis (Mart.) Engl. (Ochnaceae) using openModeller. As a consequence of the knowledge gained with this work, many desirable improvements on the modelling software packages have been identified and are presented. Also, a discussion on the potential for large-scale experimentation in ecological niche modelling is provided, highlighting opportunities for research. The results obtained are very important for those involved in the development of modelling tools and systems, for requirement analysis and to provide insight on new features and trends for this category of systems. They can also be very helpful for beginners in modelling research, who can use the process and the experiment example as a guide to this complex activity. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Progress in integrated assessment and modelling

Environmental processes have been modelled for decades. However. the need for integrated assessment and modeling (IAM) has,town as the extent and severity of environmental problems in the 21st Century worsens. The scale of IAM is not restricted to the global level as in climate change models, but includes local and regional models of environmental problems. This paper discusses various definitions of IAM and identifies five different types of integration that Lire needed for the effective solution of environmental problems. The future is then depicted in the form of two brief scenarios: one optimistic and one pessimistic. The current state of IAM is then briefly reviewed. The issues of complexity and validation in IAM are recognised as more complex than in traditional disciplinary approaches. Communication is identified as a central issue both internally among team members and externally with decision-makers. stakeholders and other scientists. Finally it is concluded that the process of integrated assessment and modelling is considered as important as the product for any particular project. By learning to work together and recognise the contribution of all team members and participants, it is believed that we will have a strong scientific and social basis to address the environmental problems of the 21st Century. (C) 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Structure et dynamique des communautés multi-espèces : le rôle de l’espace

Cette thèse porte sur le rôle de l’espace dans l’organisation et dans la dynamique des communautés écologiques multi-espèces. Deux carences peuvent être identifiées dans les études théoriques actuelles portant sur la dimension spatiale des communautés écologiques : l’insuffisance de modèles multi-espèces représentant la dimension spatiale explicitement, et le manque d’attention portée aux interactions positives, tel le mutualisme, en dépit de la reconnaissance de leur ubiquité dans les systèmes écologiques. Cette thèse explore cette problématique propre à l’écologie des communautés, en utilisant une approche théorique s’inspirant de la théorie des systèmes complexes et de la mécanique statistique. Selon cette approche, les communautés d’espèces sont considérées comme des systèmes complexes dont les propriétés globales émergent des interactions locales entre les organismes qui les composent, et des interactions locales entre ces organismes et leur environnement. Le premier objectif de cette thèse est de développer un modèle de métacommunauté multi-espèces, explicitement spatial, orienté à l’échelle des individus et basé sur un réseau d’interactions interspécifiques générales comprenant à la fois des interactions d’exploitation, de compétition et de mutualisme. Dans ce modèle, les communautés locales sont formées par un processus d’assemblage des espèces à partir d’un réservoir régional. La croissance des populations est restreinte par une capacité limite et leur dynamique évolue suivant des mécanismes simples de reproduction et de dispersion des individus. Ces mécanismes sont dépendants des conditions biotiques et abiotiques des communautés locales et leur effet varie en fonction des espèces, du temps et de l’espace. Dans un deuxième temps, cette thèse a pour objectif de déterminer l’impact d’une connectivité spatiale croissante sur la dynamique spatiotemporelle et sur les propriétés structurelles et fonctionnelles de cette métacommunauté. Plus précisément, nous évaluons différentes propriétés des communautés en fonction du niveau de dispersion des espèces : i) la similarité dans la composition des communautés locales et ses patrons de corrélations spatiales; ii) la biodiversité locale et régionale, et la distribution locale de l’abondance des espèces; iii) la biomasse, la productivité et la stabilité dynamique aux échelles locale et régionale; et iv) la structure locale des interactions entre les espèces. Ces propriétés sont examinées selon deux schémas spatiaux. D’abord nous employons un environnement homogène et ensuite nous employons un environnement hétérogène où la capacité limite des communautés locales évoluent suivant un gradient. De façon générale, nos résultats révèlent que les communautés écologiques spatialement distribuées sont extrêmement sensibles aux modes et aux niveaux de dispersion des organismes. Leur dynamique spatiotemporelle et leurs propriétés structurelles et fonctionnelles peuvent subir des changements profonds sous forme de transitions significatives suivant une faible variation du niveau de dispersion. Ces changements apparaissent aussi par l’émergence de patrons spatiotemporels dans la distribution spatiale des populations qui sont typiques des transitions de phases observées généralement dans les systèmes physiques. La dynamique de la métacommunauté présente deux régimes. Dans le premier régime, correspondant aux niveaux faibles de dispersion des espèces, la dynamique d’assemblage favorise l’émergence de communautés stables, peu diverses et formées d’espèces abondantes et fortement mutualistes. La métacommunauté possède une forte diversité régionale puisque les communautés locales sont faiblement connectées et que leur composition demeure ainsi distincte. Par ailleurs dans le second régime, correspondant aux niveaux élevés de dispersion, la diversité régionale diminue au profit d’une augmentation de la diversité locale. Les communautés locales sont plus productives mais leur stabilité dynamique est réduite suite à la migration importante d’individus. Ce régime est aussi caractérisé par des assemblages incluant une plus grande diversité d’interactions interspécifiques. Ces résultats suggèrent qu’une augmentation du niveau de dispersion des organismes permet de coupler les communautés locales entre elles ce qui accroît la coexistence locale et favorise la formation de communautés écologiques plus riches et plus complexes. Finalement, notre étude suggère que le mutualisme est fondamentale à l’organisation et au maintient des communautés écologiques. Les espèces mutualistes dominent dans les habitats caractérisés par une capacité limite restreinte et servent d’ingénieurs écologiques en facilitant l’établissement de compétiteurs, prédateurs et opportunistes qui bénéficient de leur présence.

Influências multi-escala da paisagem e limiar da fragmentação em morcegos no cerrado

Pós-graduação em Ciências Biológicas (Zoologia) - IBRC

Ocean acidification induces multi-generational decline in copepod naupliar production with possible conflict for reproductive resource allocation

Climate change, including ocean acidification (OA), presents fundamental challenges to marine biodiversity and sustained ecosystem health. We determined reproductive response (measured as naupliar production), cuticle composition and stage specific growth of the copepod Tisbe battagliai over three generations at four pH conditions (pH 7.67, 7.82, 7.95, and 8.06). Naupliar production increased significantly at pH 7.95 compared with pH 8.06 followed by a decline at pH 7.82. Naupliar production at pH 7.67 was higher than pH 7.82. We attribute the increase at pH 7.95 to an initial stress response which was succeeded by a hormesis-like response at pH 7.67. A multi-generational modelling approach predicted a gradual decline in naupliar production over the next 100 years (equivalent to approximately 2430 generations). There was a significant growth reduction (mean length integrated across developmental stage) relative to controls. There was a significant increase in the proportion of carbon relative to oxygen within the cuticle as seawater pH decreased. Changes in growth, cuticle composition and naupliar production strongly suggest that copepods subjected to OA-induced stress preferentially reallocate resources towards maintaining reproductive output at the expense of somatic growth and cuticle composition. These responses may drive shifts in life history strategies that favour smaller brood sizes, females and perhaps later maturing females, with the potential to profoundly destabilise marine trophodynamics.

Benthic cover map of Heron Reef derived from a high-spatial-resolution multi-spectral satellite image using object based image analysis

Providing accurate maps of coral reefs where the spatial scale and labels of the mapped features correspond to map units appropriate for examining biological and geomorphic structures and processes is a major challenge for remote sensing. The objective of this work is to assess the accuracy and relevance of the process used to derive geomorphic zone and benthic community zone maps for three western Pacific coral reefs produced from multi-scale, object-based image analysis (OBIA) of high-spatial-resolution multi-spectral images, guided by field survey data. Three Quickbird-2 multi-spectral data sets from reefs in Australia, Palau and Fiji and georeferenced field photographs were used in a multi-scale segmentation and object-based image classification to map geomorphic zones and benthic community zones. A per-pixel approach was also tested for mapping benthic community zones. Validation of the maps and comparison to past approaches indicated the multi-scale OBIA process enabled field data, operator field experience and a conceptual hierarchical model of the coral reef environment to be linked to provide output maps at geomorphic zone and benthic community scales on coral reefs. The OBIA mapping accuracies were comparable with previously published work using other methods; however, the classes mapped were matched to a predetermined set of features on the reef.

Relationship between phenotype and environment in marine calcifying organisms: exploring growth and shell properties of different mollusks species in past and modern scenario

Coastal ecosystems represent an inestimable source of biodiversity, being among the most productive areas on the planet. Despite the great ecological and economic value of those environments, many threats endanger the species living in this ecosystem, like the rapid warming and the sea acidification, among many other. Benthic calcifying organisms (e.g. mollusks, corals and echinoderms) in particular, are among the most exposed to those hazards. These organisms use calcium carbonate as a structural and protective material through the biomineralization process, biologically controlled by the organism, but nevertheless, strongly influenced by the environmental surroundings. Evaluating how a changing environment can influence the process of biomineralization is critical to understand how those species of great ecological and economic importance will face the ongoing climate change. This thesis investigates the mechanism of biomineralization in different mollusks’ species of the Adriatic Sea, providing detailed descriptions of shells skeletal, biometric and growth parameters. Applying a multidisciplinary and multi-scale research approach, the influence of external environmental factors on the process of shell formation has been investigated. To achieve this purpose analysis were conducted both on current populations and on fossil remain, which allows to investigate ecological responses to past climate transitions. Mollusks’ shells in fact are one of the best tools to understand climate change in the past, present and future, since they record the environmental conditions prevailed during their life, reflected on the geochemical properties, microstructure and growth of the shell. This approach allowed to overcome the time scale limit imposed by field and laboratory survey, and better understand species long term adaptive response to changing environment, a crucial issue to define proper conservation and management strategies. Furthermore, the investigation of fossil record of mollusks assemblages offered the opportunity to evaluate the long-term biotic response to anthropogenic stressors in the north Adriatic Sea.

Collision probabilities in the rarefaction fan of asymmetric exclusion processes

We consider the one-dimensional asymmetric simple exclusion process (ASEP) in which particles jump to the right at rate p is an element of (1/2, 1.] and to the left at rate 1 - p, interacting by exclusion. In the initial state there is a finite region such that to the left of this region all sites are occupied and to the right of it all sites are empty. Under this initial state, the hydrodynamical limit of the process converges to the rarefaction fan of the associated Burgers equation. In particular suppose that the initial state has first-class particles to the left of the origin, second-class particles at sites 0 and I, and holes to the right of site I. We show that the probability that the two second-class particles eventually collide is (1 + p)/(3p), where a collision occurs when one of the particles attempts to jump over the other. This also corresponds to the probability that two ASEP processes. started from appropriate initial states and coupled using the so-called ""basic coupling,"" eventually reach the same state. We give various other results about the behaviour of second-class particles in the ASEP. In the totally asymmetric case (p = 1) we explain a further representation in terms of a multi-type particle system, and also use the collision result to derive the probability of coexistence of both clusters in a two-type version of the corner growth model.

Cartografia multi-escala de alterações do coberto florestal com imagens de satélite

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Ciência e Sistemas de Informação Geográfica

Hierarchical modelling of timber reference properties using probabilistic methods: Maximum Likelihood Method, Bayesian Methods and Probability Networks

In recent decades, an increased interest has been evidenced in the research on multi-scale hierarchical modelling in the field of mechanics, and also in the field of wood products and timber engineering. One of the main motivations for hierar-chical modelling is to understand how properties, composition and structure at lower scale levels may influence and be used to predict the material properties on a macroscopic and structural engineering scale. This chapter presents the applicability of statistic and probabilistic methods, such as the Maximum Likelihood method and Bayesian methods, in the representation of timber’s mechanical properties and its inference accounting to prior information obtained in different importance scales. These methods allow to analyse distinct timber’s reference properties, such as density, bending stiffness and strength, and hierarchically consider information obtained through different non, semi or destructive tests. The basis and fundaments of the methods are described and also recommendations and limitations are discussed. The methods may be used in several contexts, however require an expert’s knowledge to assess the correct statistic fitting and define the correlation arrangement between properties.

Identifying genetic signatures of selection in a non-model species, alpine gentian (Gentiana nivalis L.), using a landscape genetic approach

It is generally accepted that most plant populations are locally adapted. Yet, understanding how environmental forces give rise to adaptive genetic variation is a challenge in conservation genetics and crucial to the preservation of species under rapidly changing climatic conditions. Environmental variation, phylogeographic history, and population demographic processes all contribute to spatially structured genetic variation, however few current models attempt to separate these confounding effects. To illustrate the benefits of using a spatially-explicit model for identifying potentially adaptive loci, we compared outlier locus detection methods with a recently-developed landscape genetic approach. We analyzed 157 loci from samples of the alpine herb Gentiana nivalis collected across the European Alps. Principle coordinates of neighbor matrices (PCNM), eigenvectors that quantify multi-scale spatial variation present in a data set, were incorporated into a landscape genetic approach relating AFLP frequencies with 23 environmental variables. Four major findings emerged. 1) Fifteen loci were significantly correlated with at least one predictor variable (R (adj) (2) > 0.5). 2) Models including PCNM variables identified eight more potentially adaptive loci than models run without spatial variables. 3) When compared to outlier detection methods, the landscape genetic approach detected four of the same loci plus 11 additional loci. 4) Temperature, precipitation, and solar radiation were the three major environmental factors driving potentially adaptive genetic variation in G. nivalis. Techniques presented in this paper offer an efficient method for identifying potentially adaptive genetic variation and associated environmental forces of selection, providing an important step forward for the conservation of non-model species under global change.

Analyse multi-échelle des champs magnétiques dans des nuages moléculaires à structures filmentaires

Associée à d'autres techniques observationnelles, la polarimétrie dans le visible ou dans le proche infrarouge permet d'étudier la morphologie des champs magnétiques à la périphérie de nombreuses régions de formation stellaire. A l'intérieur des nuages molécualires la morphologie des champs est connue par polarimétrie submillimétrique, mais rarement pour les mêmes régions. Habituellement, il manque une échelle spatiale intermédiaire pour pouvoir comparer correctement la morphologie du champ magnétique galactique avec celle située à l'intérieur des nuages moléculaires. -- Cette thèse propose les moyens nécessaires pour réaliser ce type d'analyse multi-échelle afin de mieux comprendre le rôle que peuvent jouer les champs magnétiques dans les processus de formation stellaire. La première analyse traite de la région GF 9. Vient ensuite une étude de la morphologie du champ magnétique dans les filaments OMC-2 et OMC-3 suivie d'une analyse multi-échelle dans le complexe de nuages moléculaires Orion A dont OMC-2 et OMC-3 font partie. -- La synthèse des résultats couvrant GF 9 et Orion A est la suivante. Les approches statistiques employées montrent qu'aux grandes échelles spatiales la morphologie des champs magnétiques est poloïdale dans la région GF 9, et probablement hélicoïdale dans la région Orion A. A l'échelle spatiale des enveloppes des nuages moléculaires, les champs magnétiques apparaissent alignés avec les champs situés à leur périphérie. A l'échelle spatiale des coeurs, le champ magnétique poloïdal environnant la région GF 9 est apparemment entraîné par le coeur en rotation, et la diffusion ambipolaire n'y semble pas effective actuellement. Dans Orion A, la morphologie des champs est difficilement détectable dans les sites actifs de formation d'OMC-2, ou bien très fortement contrainte par les effets de la gravité dans OMC-1. Des effets probables de la turbulence ne seont détectés dans aucune des régions observées. -- Les analyses multi-échelles suggèrent donc qu'indépendamment du stade évolutif et de la gamme de masse des régions de formation stellaires, le champ magnétique galactique subit des modifications de sa morphologie aux échelles spatiales comparables à celles des coeurs protostellaires, de la même façon que les propriétés structurelles des nuages moléculaires suivent des lois d'autosimilarité jusqu'à des échelles comparables à celles des coeurs.

Développement d’une méthode de simulation multi-échelle pour l’étude des grandes transformations dans les protéines

Les films de simulations qui accompagnent le document ont été réalisés avec Pymol.

Comprehensive evaluation of the WaterGAP3 model across climatic, physiographic, and anthropogenic gradients

In den letzten Jahrzehnten haben sich makroskalige hydrologische Modelle als wichtige Werkzeuge etabliert um den Zustand der globalen erneuerbaren Süßwasserressourcen flächendeckend bewerten können. Sie werden heutzutage eingesetzt um eine große Bandbreite wissenschaftlicher Fragestellungen zu beantworten, insbesondere hinsichtlich der Auswirkungen anthropogener Einflüsse auf das natürliche Abflussregime oder der Auswirkungen des globalen Wandels und Klimawandels auf die Ressource Wasser. Diese Auswirkungen lassen sich durch verschiedenste wasserbezogene Kenngrößen abschätzen, wie z.B. erneuerbare (Grund-)Wasserressourcen, Hochwasserrisiko, Dürren, Wasserstress und Wasserknappheit. Die Weiterentwicklung makroskaliger hydrologischer Modelle wurde insbesondere durch stetig steigende Rechenkapazitäten begünstigt, aber auch durch die zunehmende Verfügbarkeit von Fernerkundungsdaten und abgeleiteten Datenprodukten, die genutzt werden können, um die Modelle anzutreiben und zu verbessern. Wie alle makro- bis globalskaligen Modellierungsansätze unterliegen makroskalige hydrologische Simulationen erheblichen Unsicherheiten, die (i) auf räumliche Eingabedatensätze, wie z.B. meteorologische Größen oder Landoberflächenparameter, und (ii) im Besonderen auf die (oftmals) vereinfachte Abbildung physikalischer Prozesse im Modell zurückzuführen sind. Angesichts dieser Unsicherheiten ist es unabdingbar, die tatsächliche Anwendbarkeit und Prognosefähigkeit der Modelle unter diversen klimatischen und physiographischen Bedingungen zu überprüfen. Bisher wurden die meisten Evaluierungsstudien jedoch lediglich in wenigen, großen Flusseinzugsgebieten durchgeführt oder fokussierten auf kontinentalen Wasserflüssen. Dies steht im Kontrast zu vielen Anwendungsstudien, deren Analysen und Aussagen auf simulierten Zustandsgrößen und Flüssen in deutlich feinerer räumlicher Auflösung (Gridzelle) basieren. Den Kern der Dissertation bildet eine umfangreiche Evaluierung der generellen Anwendbarkeit des globalen hydrologischen Modells WaterGAP3 für die Simulation von monatlichen Abflussregimen und Niedrig- und Hochwasserabflüssen auf Basis von mehr als 2400 Durchflussmessreihen für den Zeitraum 1958-2010. Die betrachteten Flusseinzugsgebiete repräsentieren ein breites Spektrum klimatischer und physiographischer Bedingungen, die Einzugsgebietsgröße reicht von 3000 bis zu mehreren Millionen Quadratkilometern. Die Modellevaluierung hat dabei zwei Zielsetzungen: Erstens soll die erzielte Modellgüte als Bezugswert dienen gegen den jegliche weiteren Modellverbesserungen verglichen werden können. Zweitens soll eine Methode zur diagnostischen Modellevaluierung entwickelt und getestet werden, die eindeutige Ansatzpunkte zur Modellverbesserung aufzeigen soll, falls die Modellgüte unzureichend ist. Hierzu werden komplementäre Modellgütemaße mit neun Gebietsparametern verknüpft, welche die klimatischen und physiographischen Bedingungen sowie den Grad anthropogener Beeinflussung in den einzelnen Einzugsgebieten quantifizieren. WaterGAP3 erzielt eine mittlere bis hohe Modellgüte für die Simulation von sowohl monatlichen Abflussregimen als auch Niedrig- und Hochwasserabflüssen, jedoch sind für alle betrachteten Modellgütemaße deutliche räumliche Muster erkennbar. Von den neun betrachteten Gebietseigenschaften weisen insbesondere der Ariditätsgrad und die mittlere Gebietsneigung einen starken Einfluss auf die Modellgüte auf. Das Modell tendiert zur Überschätzung des jährlichen Abflussvolumens mit steigender Aridität. Dieses Verhalten ist charakteristisch für makroskalige hydrologische Modelle und ist auf die unzureichende Abbildung von Prozessen der Abflussbildung und –konzentration in wasserlimitierten Gebieten zurückzuführen. In steilen Einzugsgebieten wird eine geringe Modellgüte hinsichtlich der Abbildung von monatlicher Abflussvariabilität und zeitlicher Dynamik festgestellt, die sich auch in der Güte der Niedrig- und Hochwassersimulation widerspiegelt. Diese Beobachtung weist auf notwendige Modellverbesserungen in Bezug auf (i) die Aufteilung des Gesamtabflusses in schnelle und verzögerte Abflusskomponente und (ii) die Berechnung der Fließgeschwindigkeit im Gerinne hin. Die im Rahmen der Dissertation entwickelte Methode zur diagnostischen Modellevaluierung durch Verknüpfung von komplementären Modellgütemaßen und Einzugsgebietseigenschaften wurde exemplarisch am Beispiel des WaterGAP3 Modells erprobt. Die Methode hat sich als effizientes Werkzeug erwiesen, um räumliche Muster in der Modellgüte zu erklären und Defizite in der Modellstruktur zu identifizieren. Die entwickelte Methode ist generell für jedes hydrologische Modell anwendbar. Sie ist jedoch insbesondere für makroskalige Modelle und multi-basin Studien relevant, da sie das Fehlen von feldspezifischen Kenntnissen und gezielten Messkampagnen, auf die üblicherweise in der Einzugsgebietsmodellierung zurückgegriffen wird, teilweise ausgleichen kann.