The extrapolation problem and how population modeling can help

We argue that population modeling can add value to ecological risk assessment by reducing uncertainty when extrapolating from ecotoxicological observations to relevant ecological effects. We review other methods of extrapolation, ranging from application factors to species sensitivity distributions to suborganismal (biomarker and "-omics'') responses to quantitative structure activity relationships and model ecosystems, drawing attention to the limitations of each. We suggest a simple classification of population models and critically examine each model in an extrapolation context. We conclude that population models have the potential for adding value to ecological risk assessment by incorporating better understanding of the links between individual responses and population size and structure and by incorporating greater levels of ecological complexity. A number of issues, however, need to be addressed before such models are likely to become more widely used. In a science context, these involve challenges in parameterization, questions about appropriate levels of complexity, issues concerning how specific or general the models need to be, and the extent to which interactions through competition and trophic relationships can be easily incorporated.

Adding value to ecological risk assessment with population modeling

Current measures used to estimate the risks of toxic chemicals are not relevant to the goals of the environmental protection process, and thus ecological risk assessment (ERA) is not used as extensively as it should be as a basis for cost-effective management of environmental resources. Appropriate population models can provide a powerful basis for expressing ecological risks that better inform the environmental management process and thus that are more likely to be used by managers. Here we provide at least five reasons why population modeling should play an important role in bridging the gap between what we measure and what we want to protect. We then describe six actions needed for its implementation into management-relevant ERA.

Reintroduction of the Eurasian otter (Lutra lutra) in Muga and Fluvià basins (north-eastern Spain): viability, development, monitoring and trends of the new population

Aquesta tesi es basa en el programa de reintroducció de la llúdriga eurasiàtica (Lutra lutra) a les conques dels rius Muga i Fluvià (Catalunya) durant la segona meitat dels 1990s. Els objectius de la tesi foren demostrar la viabilitat de la reintroducció, demostrar l'èxit de la mateixa, estudiar aspectes ecològics i etològics de l'espècie, aprofitant l'oportunitat única de gaudir d'una població "de disseny" i determinar les probabilitats de supervivència de la població a llarg termini. La reintroducció de la llúdriga a les conques dels rius Muga i Fluvià va reeixir, doncs l'àrea geogràfica ocupada efectivament es va incrementar fins a un 64% d'estacions positives a l'hivern 2001-02. La troballa de tres exemplars adults nascuts a l'àrea de reintroducció és una altra prova que valida l'èxit del programa. La densitat d'exemplars calculada a través dels censos visuals ha resultat baixa (0.04-0.11 llúdrigues/km), però s'aproxima al que hom pot esperar en els primers estadis d'una població reintroduïda, encara poc nombrosa però distribuïda en una gran àrea. La mortalitat post-alliberament va ser del 22% un any després de l'alliberament, similar o inferior a la d'altres programes de reintroducció de llúdrigues reeixits. La mortalitat va ser deguda principalment a atropellaments (56%). El patró d'activitat de les llúdrigues reintroduïdes va esdevenir principalment nocturn i crepuscular, amb una escassa activitat diürna. Les seves àrees vitals van ser del mateix ordre (34,2 km) que les calculades en d'altres estudis realitzats a Europa. La longitud mitjana de riu recorreguda per una llúdriga durant 24 hores va ser de 4,2 km per les femelles i 7,6 km pels mascles. Durant el període de radioseguiment dues femelles van criar i els seus moviments van poder ser estudiats amb deteniment. La resposta de la nova població de llúdrigues a les fluctuacions estacionals en la disponibilitat d'aigua, habitual a les regions mediterrànies, va consistir en la concentració en una àrea menor durant el període de sequera estival, a causa de l'increment de trams secs, inhabitables per la llúdriga per la manca d'aliment, fet que va provocar expansions i contraccions periòdiques en l'àrea de distribució. La persistència a llarg termini de la població reintroduïda va ser estudiada mitjançant una Anàlisi de Viabilitat Poblacional (PVA). El resultat va ser un baix risc d'extinció de la població en els propers 100 anys i la majoria dels escenaris simulats (65%) van assolir el criteri d'un mínim de 90% de probabilitat de supervivència. Del model poblacional construït es dedueix que un punt clau per assegurar la viabilitat de la població reintroduïda és la reducció de la mortalitat accidental. A l'àrea d'estudi, els atropellaments causen més del 50% de la mortalitat i aquesta pot ser reduïda mitjançant la construcció de passos de fauna, el tancament lateral d'alguns trams de carretera perillosos i el control de la velocitat en algunes vies. El projecte de reintroducció ha posat a punt un protocol per a la captura, maneig i alliberament de llúdrigues salvatges, que pot contenir informació útil per a programes similars. També ha suposat una oportunitat única d'estudiar una població dissenyada artificialment i poder comparar diversos mètodes per estimar la distribució i la densitat de poblacions de llúdrigues. Per últim, la reintroducció portada a terme a les conques dels rius Muga i Fluvià ha aconseguit crear una nova població de llúdrigues, que persisteix en el temps, que es reprodueix regularment i que es dispersa progressivament, fins i tot a noves conques fluvials.

A Demographic Model to Evaluate Population Declines in the Endangered Streaked Horned Lark

The Streaked Horned Lark (Eremophila alpestris strigata) is listed as endangered by the State of Washington, USA and by Canada under the Species at Risk Act and is also classified as a federal candidate for listing under the Endangered Species Act in the USA. A substantial portion of Streaked Horned Lark habitat has been lost or degraded, and range contraction has occurred in Oregon, Washington, and British Columbia. We estimate the vital rates (fecundity, adult and juvenile survival) and population growth rate (λ) for Streaked Horned Larks breeding in Washington, USA and conduct a Life-Stage Simulation Analysis (LSA) to evaluate which vital rate has the greatest influence on λ. We simulated changes in the three vital rates to examine how much they would need to be adjusted either independently or in concert to achieve a stable Streaked Horned Lark population (λ = 1). We also evaluated which fecundity component (the number of fledglings per egg laid or renesting interval) had the greatest impact on λ. The estimate of population growth suggests that Streaked Horned Larks in Washington are declining rapidly (λ = 0.62 ± 0.10) and that local breeding sites are not sustainable without immigration. The LSA results indicate that adult survival had the greatest influence on λ, followed by juvenile survival and fecundity. However, increases in vital rates led to λ = 1 only when adult survival was raised from 0.47 to 0.85, juvenile survival from 0.17 to 0.58, and fecundity from 0.91 to 3.09. Increases in breeding success and decreases in the renesting interval influenced λ similarly; however, λ did not reach 1 even when breeding success was raised to 100% or renesting intervals were reduced to 1 day. Only when all three vital rates were increased simultaneously did λ approach 1 without requiring highly unrealistic increases in each vital rate. We conclude that conservation activities need to target all or multiple vital rates to be successful. The baseline data presented here and subsequent efforts to manage Streaked Horned Larks will provide valuable information for management of other declining Horned Lark subspecies and other grassland songbirds across North America.

Is behavioral ecology important for understanding and predicting population dynamics?

Population ecology is a discipline that studies changes in the number and composition (age, sex) of the individuals that form a population. Many of the mechanisms that generate these changes are associated with individual behavior, for example how individuals defend their territories, find mates or disperse. Therefore, it is important to model population dynamics considering the potential influence of behavior on the modeled dynamics. This study illustrates the diversity of behaviors that influence population dynamics describing several methods that allow integrating behavior into population models and range from simpler models that only consider the number of individuals to complex individual-based models that capture great levels of detail. A series of examples shows the importance of explicitly considering behavior in population modeling to avoid reaching erroneous conclusions. This integration is particularly relevant for conservation, as incorrect predictions regarding the dynamics of populations of conservation interest can lead to inadequate assessment and management. Improved predictions can favor effective protection of species and better use of the limited financial and human conservation resources.

Early Life History and a Modeling Framework for Lobster (Homarus Americanus) Populations in the Gulf of Maine

Beginning in the late 1980s, lobster (Homarus americanus) landings for the state of Maine and the Bay of Fundy increased to levels more than three times their previous 20-year means. Reduced predation may have permitted the expansion of lobsters into previously inhospitable territory, but we argue that in this region the spatial patterns of recruitment and the abundance of lobsters are substantially driven by events governing the earliest life history stages, including the abundance and distribution of planktonic stages and their initial settlement as Young-of-Year (YOY) lobsters. Settlement densities appear to be strongly driven by abundance of the pelagic postlarvae. Postlarvae and YOY show large-scale spatial patterns commensurate with coastal circulation, but also multi-year trends in abundance and abrupt shifts in abundance and spatial patterns that signal strong environmental forcing. The extent of the coastal shelf that defines the initial settlement grounds for lobsters is important to future population modeling. We address one part of this definition by examining patterns of settlement with depth, and discuss a modeling framework for the full life history of lobsters in the Gulf of Maine.

Modeling southern pine beetle populations, symposium proceedings : Asheville, N.C., February 20-22, 1980 /

"September 1980."

Population viability analyses of Chamaecrista keyensis (Leguminosae: Caesalpinioideae), a narrowly endemic herb of the lower Florida Keys: Effects of seasonal timing of fires and the urban -wildland interface

This research first evaluated the effects of urban wildland interface on reproductive biology of the Big Pine Partridge Pea, Chamaecrista keyensis, an understory herb that is endemic to Big Pine Key, Florida. I found that C. keyensis was self-compatible, but depended on bees for seed set. Furthermore, individuals of C. keyensis in urban habitats suffered higher seed predation and therefore set fewer seeds than forest interior plants. ^ I then focused on the effects of fire at different times of the year, summer (wet) and winter (dry), on the population dynamics and population viability of C. keyensis. I found that C. keyensis population recovered faster after winter burns and early summer burns (May–June) than after late summer burns (July–September) due to better survival and seedling recruitment following former fires. Fire intensity had positive effects on reproduction of C. keyensis. In contrast, no significant fire intensity effects were found on survival, growth, and seedling recruitment. This indicated that better survival and seedling recruitment following winter and early summer burns (compared with late summer burns) were due to the reproductive phenology of the plant in relation to fires rather than differences in fire intensity. Deterministic population modeling showed that time since fire significantly affected the finite population growth rates (λ). Particularly, recently burned plots had the largest λ. In addition, effects of timing of fires on λ were most pronounced the year of burn, but not the subsequent years. The elasticity analyses suggested that maximizing survival is an effective way to minimize the reduction in finite population growth rate the year of burn. Early summer fires or dry-season fires may achieve this objective. Finally, stochastic simulations indicated that the C. keyensis population had lower extinction risk and population decline probability if burned in the winter than in the late summer. A fire frequency of approximately 7 years would create the lowest extinction probability for C. keyensis. A fire management regime including a wide range of burning seasons may be essential for the continued existence of C. keyensis and other endemic species of pine rockland on Big Pine Key. ^

Evaluating Effects of Everglades Restoration on American Crocodile Populations in South Florida Using a Spatially-Explicit, Stage-Based Population Model

The distribution and abundance of the American crocodile (Crocodylus acutus) in the Florida Everglades is dependent on the timing, amount, and location of freshwater flow. One of the goals of the Comprehensive Everglades Restoration Plan (CERP) is to restore historic freshwater flows to American crocodile habitat throughout the Everglades. To predict the impacts on the crocodile population from planned restoration activities, we created a stage-based spatially explicit crocodile population model that incorporated regional hydrology models and American crocodile research and monitoring data. Growth and survival were influenced by salinity, water depth, and density-dependent interactions. A stage-structured spatial model was used with discrete spatial convolution to direct crocodiles toward attractive sources where conditions were favorable. The model predicted that CERP would have both positive and negative impacts on American crocodile growth, survival, and distribution. Overall, crocodile populations across south Florida were predicted to decrease approximately 3 % with the implementation of CERP compared to future conditions without restoration, but local increases up to 30 % occurred in the Joe Bay area near Taylor Slough, and local decreases up to 30 % occurred in the vicinity of Buttonwood Canal due to changes in salinity and freshwater flows.

Études pharmacocinétiques exploratoires de certains médicaments utilisés en analgésie post-opératoire

La douleur post-opératoire chez les patients constitue un défi thérapeutique important pour les cliniciens. Le traitement de la douleur post-opératoire n’est pas accessoire ni optionnel, puisqu’il permet de donner un congé de l’hôpital plus rapide aux patients et ainsi, il contribue à des économies importantes pour notre système de santé. Parmi les approches thérapeutiques utilisées pour la prise en charge de la douleur post-opératoire, cette thèse s’intéresse particulièrement aux blocs de nerfs périphériques par les anesthésiques locaux et à l’administration de la néostigmine par voie épidurale. Ces médicaments sont utilisés en clinique sans avoir préalablement établi, en se basant sur leur propriétés pharmacocinétiques et pharmacodynamiques spécifiques, leurs doses optimales. Ces doses devraient également tenir en considération les particularités anatomiques du site d’injection par rapport au site d’action. Cette thèse inclut des études exploratoires qui ont contribué à caractériser la pharmacocinétique de la ropivacaïne et de la bupivacaïne ainsi que la pharmacocinétique et la pharmacodynamie de la néostigmine. La première étude portait sur seize patients subissant une chirurgie orthopédique avec un bloc combiné des nerfs fémoral et sciatique par la ropivacaïne (n=8) ou la bupivacaïne (n=8). C’était la première étude qui a inclu des temps d’échantillons pharmacocinétiques allant jusqu’à 32 h après le bloc et ces résultats ont démontré une variabilité interindividuelle considérable. La modélisation par approche de population a aidé à expliquer les sources de la variabilité et démontré que l’absorption systémique des anesthésiques locaux était très lente. De plus, les concentrations plasmatiques demeuraient mesurables, et dans certains cas présentaient un plateau, 32 h après le bloc. Dans les prochaines études, un échantillonnage allant jusqu’à 4 ou 5 jours sera nécessaire afin d’atteindre la fin de l’absorption. La deuxième étude a établi le développement d’un modèle animal en étudiant la pharmacocinétique de la ropivacaïne après administration intraveineuse ainsi que son degré de liaison aux protéines plasmatiques chez le lapin (n=6). Les résultats ont démontré que, chez le lapin la ropivacaïne est beaucoup moins liée aux protéines plasmatiques comparativement à l’humain. Ce résultat important sera utile pour planifier les prochaines études précliniques. La troisième étude a exploré, pour la première fois, la pharmacocinétique et la pharmacodynamie de la néostigmine administrée par voie épidurale et a essayé de caractériser la courbe dose-réponse en utilisant trois doses différentes : 0.5, 1 et 1.5 mg. Bien que les concentrations de la néostigmine dans le liquide céphalo-rachidien fussent très variables une relation inverse entre la consommation de mépéridine et la dose de néostigmine a été démontrée. La dose de 1.5 mg a donné une meilleure réponse pharmacodynamique sur la douleur, mais elle a été considérée comme dangereuse puisqu’elle a résulté en deux cas d’hypertension. Nous avons conclu que des doses plus faibles que 1.5 mg devront être utilisées lors de l’utilisation de la néostigmine par voie épidurale. En conclusion, les études rapportées dans cette thèse ont exploré les propriétés pharmacocinétiques et/ou pharmacodynamiques de certains médicaments utilisés pour le traitement de la douleur post-opératoire. Ceci mènera au but ultime qui est la meilleure prise en charge de la douleur post-opératoire chez les patients.

Utilisation et développement de techniques pharmacocinétiques avancées afin d’améliorer le développement de molécules pharmaceutiques

Malgré le progrès technologique et nos connaissances pharmaceutiques et médicales croissantes, le développement du médicament demeure un processus difficile, dispendieux, long et très risqué. Ce processus mérite d'être amélioré pour faciliter le développement de nouveaux traitements. À cette fin, cette thèse vise à démontrer l’utilité de principes avancés et d’outils élaborés en pharmacocinétique (PK), actuels et nouveaux. Ces outils serviront à répondre efficacement à des questions importantes lors du développement d’un médicament, sauvant ainsi du temps et des coûts. Le premier volet de la thèse porte sur l’utilisation de la modélisation et des simulations et la création d’un nouveau modèle afin d’établir la bioéquivalence entre deux formulations de complexe de gluconate ferrique de sodium en solution de sucrose pour injection. Comparé aux méthodes courantes, cette nouvelle approche proposée se libère de plusieurs présuppositions, et requiert moins de données. Cette technique bénéficie d’une robustesse scientifique tout en étant associée à des économies de temps et de coûts. Donc, même si développé pour produits génériques, elle pourra également s’avérer utile dans le développement de molécules innovatrices et « biosimilaires ». Le deuxième volet décrit l’emploi de la modélisation pour mieux comprendre et quantifier les facteurs influençant la PK et la pharmacodynamie (PD) d’une nouvelle protéine thérapeutique, la pegloticase. L’analyse a démontré qu’aucun ajustement posologique n’était nécessaire et ces résultats sont inclus dans la monographie officielle du produit. Grâce à la modélisation, on pouvait répondre à des questions importantes concernant le dosage d’un médicament sans passer par des nouvelles études ni d'évaluations supplémentaires sur les patients. Donc, l’utilisation de cet outil a permis de réduire les dépenses sans prolonger le processus de développement. Le modèle développé dans le cadre de cette analyse pourrait servir à mieux comprendre d’autres protéines thérapeutiques, incluant leurs propriétés immunogènes. Le dernier volet démontre l’utilité de la modélisation et des simulations dans le choix des régimes posologiques d’un antibiotique (TP-434) pour une étude de Phase 2. Des données provenant d’études de Phase 1 ont été modélisées au fur et à mesure qu’elles devenaient disponibles, afin de construire un modèle décrivant le profil pharmacocinétique du TP-434. Ce processus de modélisation exemplifiait les cycles exploratoires et confirmatoires décrits par Sheiner. Ainsi, en se basant sur des relations PK/PD d’un antibiotique de classe identique, des simulations ont été effectuées avec le modèle PK final, afin de proposer de nouveaux régimes posologiques susceptibles d’être efficace chez les patients avant même d'effectuer des études. Cette démarche rationnelle a mené à l’utilisation de régimes posologiques avec une possibilité accrue d’efficacité, sans le dosage inutile des patients. Ainsi, on s’est dispensé d’études ou de cohortes supplémentaires coûteuses qui auraient prolongé le processus de développement. Enfin, cette analyse est la première à démontrer l’application de ces techniques dans le choix des doses d’antibiotique pour une étude de Phase 2. En conclusion, cette recherche démontre que des outils de PK avancés comme la modélisation et les simulations ainsi que le développement de nouveaux modèles peuvent répondre efficacement et souvent de manière plus robuste à des questions essentielles lors du processus de développement du médicament, tout en réduisant les coûts et en épargnant du temps.

Age-specific survival of male Golden-cheeked Warblers on the Fort Hood Military Reservation, Texas

Population models are essential components of large-scale conservation and management plans for the federally endangered Golden-cheeked Warbler (Setophaga chrysoparia; hereafter GCWA). However, existing models are based on vital rate estimates calculated using relatively small data sets that are now more than a decade old. We estimated more current, precise adult and juvenile apparent survival (Φ) probabilities and their associated variances for male GCWAs. In addition to providing estimates for use in population modeling, we tested hypotheses about spatial and temporal variation in Φ. We assessed whether a linear trend in Φ or a change in the overall mean Φ corresponded to an observed increase in GCWA abundance during 1992-2000 and if Φ varied among study plots. To accomplish these objectives, we analyzed long-term GCWA capture-resight data from 1992 through 2011, collected across seven study plots on the Fort Hood Military Reservation using a Cormack-Jolly-Seber model structure within program MARK. We also estimated Φ process and sampling variances using a variance-components approach. Our results did not provide evidence of site-specific variation in adult Φ on the installation. Because of a lack of data, we could not assess whether juvenile Φ varied spatially. We did not detect a strong temporal association between GCWA abundance and Φ. Mean estimates of Φ for adult and juvenile male GCWAs for all years analyzed were 0.47 with a process variance of 0.0120 and a sampling variance of 0.0113 and 0.28 with a process variance of 0.0076 and a sampling variance of 0.0149, respectively. Although juvenile Φ did not differ greatly from previous estimates, our adult Φ estimate suggests previous GCWA population models were overly optimistic with respect to adult survival. These updated Φ probabilities and their associated variances will be incorporated into new population models to assist with GCWA conservation decision making.

Spatio-temporal variation in predation by urban domestic cats (Felis catus) and the acceptability of possible management actions in the UK

Urban domestic cat (Felis catus) populations can attain exceedingly high densities and are not limited by natural prey availability. This has generated concerns that they may negatively affect prey populations, leading to calls for management. We enlisted cat-owners to record prey returned home to estimate patterns of predation by free-roaming pets in different localities within the town of Reading, UK and questionnaire surveys were used to quantify attitudes to different possible management strategies. Prey return rates were highly variable: only 20% of cats returned ≥4 dead prey annually. Consequently, approximately 65% of owners received no prey in a given season, but this declined to 22% after eight seasons. The estimated mean predation rate was 18.3 prey cat−1 year−1 but this varied markedly both spatially and temporally: per capita predation rates declined with increasing cat density. Comparisons with estimates of the density of six common bird prey species indicated that cats killed numbers equivalent to adult density on c. 39% of occasions. Population modeling studies suggest that such predation rates could significantly reduce the size of local bird populations for common urban species. Conversely, most urban residents did not consider cat predation to be a significant problem. Collar-mounted anti-predation devices were the only management action acceptable to the majority of urban residents (65%), but were less acceptable to cat-owners because of perceived risks to their pets; only 24% of cats were fitted with such devices. Overall, cat predation did appear to be of sufficient magnitude to affect some prey populations, although further investigation of some key aspects of cat predation is warranted. Management of the predation behavior of urban cat populations in the UK is likely to be challenging and achieving this would require considerable engagement with cat owners.