Projecte H2020 SCALE: Projectant respostes globals de biodiversitat des dels primers principis biològics
- Tipus Projecte
- Estat Completat
- Execució 2019 -2022
- Pressupost assignat 232.497,6 €
- Àmbit Europeo
- Comunitat Autònoma Madrid, Comunidad de
- Font principal de finançament Horitzó 2020
- Web del projecte https://doi.org/10.3030/843094
La productivitat i les taxes de creixement dels boscos, els cultius i la vegetació silvestre a tot el món han augmentat gradualment a causa de la concentració de diòxid de carboni (CO2) a l'aire. A mesura que aquestes concentracions continuïn augmentant, és probable que les plantes responguin creixent de manera més robusta i expandint-ne els rangs. Les projeccions realistes dels impactes biològics del canvi climàtic requereixen un marc unificat capaç d'integrar els avenços de diferents àrees de recerca.
El projecte SCALE, finançat amb fons europeus, té com a objectiu examinar de prop com els mecanismes de transferència de calor i aigua determinen els patrons globals de riquesa d'espècies i les adaptacions tèrmiques dels ectoterms terrestres, un grup especialment vulnerable al canvi global. El projecte SCALE ha aconseguit els diferents impactes proposats, incloent-hi el desenvolupament i la difusió de diferents models mecanicistes per predir les interaccions organisme-medi ambient en escenaris climàtics actuals i futurs. La nostra investigació ha estat publicada en revistes multidisciplinàries d'alt impacte com Proceedings of the National Academy of Sciences, assolint un impacte significatiu als mitjans de comunicació.
- Modelització de la direcció i les limitacions de l'evolució dels trets funcionals als rèptils Desenvolupem models biofísics per predir la temperatura corporal i el rendiment fisiològic dels rèptils i els utilitzem per investigar com varia el rendiment tèrmic en resposta al clima entre espècies amb diferents mides corporals, colors de pell, capacitat termoreguladora i tolerància fisi. Aquesta anàlisi global ens va permetre predir numèricament la direcció i la força de la selecció en diferents trets funcionals. Per provar aquestes prediccions, coordinem diferents experts en macroecologia i fisiologia tèrmica i comparem els patrons predits davant els observats utilitzant dades publicades de més de 1200 espècies de rèptils. Trobem que els models prediuen amb precisió la direcció i la força de l'efecte del clima sobre diferents trets funcionals a escala global.
- Modelització de les respostes a gran escala dels ectoterms tropicals al canvi climàtic Molts ectoterms, com els llangardaixos, aprofiten l'heterogeneïtat dels seus entorns per controlar la temperatura corporal de forma conductual, per exemple, movent-se entre microambients exposats al sol i ombrejats. No obstant, no tenim un mètode per quantificar aquesta capacitat d'amortiment conductual a gran escala. Utilitzem el nostre model biofísic ectoterm per avaluar el potencial de la termoregulació conductual per esmorteir la temperatura corporal contra el canvi climàtic en llangardaixos neotropicals que habiten als boscos, un grup que és especialment vulnerable a l'escalfament. Trobem que l'augment previst de la temperatura ambient a l'Amazònia podria excedir la capacitat màxima estimada d'amortiment de les sargantanes. El nostre enfocament permet, per primer cop, calcular la capacitat dels llangardaixos tropicals per esmorteir els impactes de l'escalfament, una fita crítica cap al disseny d'estratègies de gestió efectives per reduir la vulnerabilitat d'aquestes espècies al canvi climàtic i d'hàbitat.
- Modelització de la taxa metabòlica i la resposta dels ectoterms aquàtics al canvi climàtic Les respostes dels organismes al canvi climàtic estan intervingudes pels seus efectes sobre la fisiologia. En ambients aquàtics, tant la temperatura de l'aigua com la disponibilitat d'oxigen poden modular aquestes respostes en alterar el metabolisme que alimenta el rendiment fisiològic. Tot i això, els models ecològics destinats a predir com els factors ambientals donen forma al metabolisme aeròbic ignoren el paper del subministrament d'oxigen. Desenvolupem un model biofísic per investigar com la capacitat d'absorció d'oxigen afecta la resposta dels ectoterms aquàtics a l'escalfament climàtic. En una anàlisi comparativa entre espècies de peixos, demostrem que el model prediu amb precisió interaccions complexes entre la mida corporal i la temperatura a l'abast aeròbic dels peixos. Els nostres resultats suggereixen que les espècies més grans poden estar més restringides que les espècies més petites en aigües càlides a causa de les limitacions físiques a la capacitat d'absorció d'oxigen.
- Modelització dels costos de la termoregulació en endoterms Els models biofísics de balanç tèrmic poden estimar el cost metabòlic necessari perquè un organisme endotèrmic, com una au o un mamífer, mantingui una temperatura corporal constant en un entorn variable. Utilitzem models biofísics per abordar la pregunta pendent en macroecologia de per què la mida corporal de les ratapinyades no segueix els patrons geogràfics i evolutius observats entre els mamífers no voladors. En modelar els costos de la termoregulació i els costos de vol, trobem que aquests costos són similars als Limiten la mida i la forma del cos, especialment en climes més freds. En analitzar la mida i la forma de 278 espècies de ratpenats, trobem que l'evolució morfològica en les ratapinyades varia amb el clima i que la força de la selecció és més gran a les regions més fredes que a les més càlides, cosa que coincideix amb la predicció del model. Aquests resultats donen llum sobre un debat de llarga data sobre la conformitat de les ratapinyades amb els patrons macroevolutius observats en altres mamífers i ofereixen un procediment nou per investigar patrons macroecològics complexos a partir dels primers principis.
- Organització de tallers i activitats de comunicació Un objectiu clau de SCALE és difondre els enfocaments de modelització mecanicista entre investigadors de diferents disciplines, com ara la fisiologia i la macroecologia, i de diferents sistemes, com els entorns terrestres i aquàtics. Per aconseguir-ho, vam organitzar dos tallers on es va presentar l'ús de models microclimàtics i biofísics en la modelització de la distribució d'espècies i la predicció dels impactes del canvi climàtic (IBS 2022, CSEE 2021). A més, per arribar a un públic més ampli i no especialitzat, vam llançar un bloc on presentàvem els resultats més rellevants del projecte i vam desenvolupar dos "Shiny Apps" a R per permetre a qualsevol usuari interactuar amb els models biofísics en línia.
La predicció de les respostes dels organismes al canvi climàtic i de l‟hàbitat global continua sent una de les prioritats de la recerca ecològica. Les projeccions fiables d‟aquestes respostes requereixen la integració d‟informació sobre els trets fisiològics i de comportament que determinen la capacitat dels organismes per esmorteir o adaptar-se als canvis ambientals. Tot i això, la majoria de les nostres eines predictives actuals es basen en models fenomenològics basats en correlacions observades entre organismes i entorns, amb una capacitat limitada per predir el rendiment dels organismes en condicions ambientals sense precedents.
En macroecologia, lestudi de les relacions entre els organismes i el seu entorn a grans escales espacials, els enfocaments mecanicistes estan emergint amb força. A diferència dels models fenomenològics, aquests models mecanicistes es basen en els principis físics de la transferència d'energia i massa i en la informació fisiològica per predir com les variables d'estat clau, com ara la temperatura corporal, la taxa metabòlica o l'equilibri hídric responen al clima a través de l'espai i el temps.
Tot i el seu potencial, els models mecanicistes s'enfronten a reptes importants en la macroecologia, com ara el problema de com ampliar les mètriques individuals a nivells més alts d'organització ecològica, com les poblacions i els assemblatges d'espècies. SCALE adopta una perspectiva mecanicista per investigar com els equilibris de calor i massa s'amplien en patrons macroecològics i macroevolutius en diferents tàxons animals, inclosos ectoterms i endoterms terrestres i aquàtics. Per assolir-ho, desenvolupem models biofísics de transferència de calor i massa i utilitzem tècniques computacionals d'avantguarda per simular la resposta de múltiples espècies al canvi climàtic i d'hàbitat.
Els objectius generals de SCALE inclouen:
- Desenvolupar i difondre models mecanicistes que proporcionin accés a programari recentment desenvolupat i organitzar tallers per facilitar-ne la implementació.
- Validar els models que comparen els patrons predits davant els observats dels trets funcionals de les espècies a través de gradients climàtics a gran escala.
- Projectar les prediccions dels models en futurs escenaris de canvi climàtic.
Les projeccions realistes dels impactes biològics del canvi climàtic requereixen un marc unificat capaç d'integrar els avenços de diferents àrees de recerca com l'ecofisiologia, l'ecologia del comportament i la biogeografia. El modelatge mecanicista en macroecologia sorgeix com un marc prometedor per abordar aquest desafiament, ja que busca descriure els patrons de biodiversitat a partir de processos biofísics, fisiològics i de comportament que determinen la manera com els organismes interactuen amb el seu entorn. En aquest projecte investigaré com els mecanismes de transferència de calor i aigua determinen els patrons globals de riquesa d'espècies i les adaptacions tèrmiques dels ectotèrmics terrestres, un grup especialment vulnerable al canvi global.
Els objectius específics d'aquesta proposta són:
- Investigar com la regulació de la temperatura i la disponibilitat d‟aigua limiten els patrons globals de riquesa d‟espècies de rèptils i amfibis
- Investigar.
- Pronosticar la resposta d‟aquests patrons a les condicions climàtiques futures. Per assolir aquests objectius, combinaré models biofísics d'avantguarda sobre les vies de transferència de calor i aigua entre ectotèrmics i el seu entorn, amb dades empíriques sobre la distribució geogràfica de les espècies i les característiques de tolerància tèrmica obtingudes de la literatura.
En definitiva, aquesta proposta contribuirà al camp emergent de la modelització mecanicista en macroecologia, i proporcionarà mètodes per integrar múltiples fonts d'informació biològica i tècniques per predir les respostes dels organismes al canvi climàtic. La formació en anàlisi geogràfica de models mecanicistes impulsarà el meu desenvolupament com a investigador independent i innovador de primera línia en macroecologia a la UE.
Els organismes estan connectats termodinàmicament amb el seu entorn mitjançant l'intercanvi de calor, aigua i/o oxigen. Aquestes interaccions es poden capturar amb “models biofísics” que integren informació sobre les condicions ambientals i les característiques dels organismes per predir com s'exercirien els individus en qualsevol entorn. No obstant això, aquests models enfronten desafiaments, i hi ha la necessitat de calibrar i validar els models combinant les seves prediccions teòriques amb observacions empíriques.
Aquí és on lempresa finançada per la UE ESCAMA intervenció del projecte, amb el suport de la Programa daccions Marie Sklodowska-Curie. «El nostre objectiu era contribuir a un nou marc de modelització amb què predir les respostes dels animals al canvi ambiental», explica Juan Rubalcaba, coordinador del projecte. Per aconseguir això, SCALE va combinar dades interespecífiques, disponibles en ecofisiologia, amb prediccions teòriques generades utilitzant models biofísics. A continuació, va utilitzar els models per predir com haurien de canviar els trets fisiològics, com ara la taxa metabòlica, en resposta a les condicions climàtiques, i va examinar si les prediccions del projecte coincidien amb les observacions empíriques.
L'impacte del clima a les sargantanes Hi ha un debat considerable sobre si el clima modula directament trets com la mida corporal, el color de la pell i la tolerància tèrmica. Per comprendre millor això, SCALE va utilitzar un model biofísic per predir la temperatura corporal i el rendiment fisiològic de llangardaixos teòrics en diferents climes. "A continuació, utilitzem el model per investigar quins fenotips maximitzarien el rendiment fisiològic a cada regió simulant l'efecte de la selecció natural sobre la mida corporal, el color de la pell, la tolerància tèrmica i el comportament termoregulador", explica Rubalcaba. El projecte va descobrir que els patrons geogràfics observats per a la massa corporal, la tolerància al fred i la temperatura corporal òptima estaven significativament relacionats amb les prediccions. "Per tant, els nostres resultats (s'obre en una finestra nova) suggereixen que el clima modula directament aquests trets a través del seu efecte sobre el rendiment tèrmic", afegeix Rubalcaba. Demanda i subministrament d'oxigen en ectoterms aquàtics SCALE va desenvolupar un model biofísic per investigar el subministrament i la demanda d'oxigen als peixos, tenint en compte els mecanismes fisicoquímics que impulsen la transferència d'oxigen a través de la superfície branquial. "Utilitzem el model per investigar la interacció entre la temperatura de l'aigua, la disponibilitat d'oxigen, la mida corporal i el nivell d'activitat a la taxa metabòlica i el rendiment fisiològic dels peixos", destaca Rubalcaba. El model prediu que els animals grans i actius tindran una capacitat limitada per obtenir l'oxigen necessari per satisfer la demanda fisiològica en aigües més càlides.
Per tant, ESCALA Resultats(S'obre en una finestra nova) suggereixen que l'escalfament global perjudicarà el rendiment fisiològic, col·locant una càrrega metabòlica més gran en individus més grans en el futur. L'evolució de la mida i la forma del cos a les ratapinyades "També investiguem com la mida del cos, la mida de l'ala i la temperatura interactuen per determinar els costos del vol i els costos de la termoregulació. El model mostra que les ales grans redueixen els costos de vol, però augmenten les taxes de dissipació de calor, cosa que augmenta els costos de la termoregulació. Utilitzant dades morfològiques d'espècies de ratpenats, SCALE va descobrir que la relació entre la superfície i la massa de les ales evoluciona cap a una forma òptima i que la força de la selecció és més gran entre les espècies que viuen en climes freds, cosa que coincideix amb les prediccions teòriques. Projecte Resultats(S'obre en una finestra nova) Per tant, suggereixen que el clima influeix en l'evolució de la mida corporal a les ratapinyades a través del seu efecte sobre la demanda d'energia. A partir d'aquests resultats, es demostra que el clima té una influència directa en la demanda d'energia i el rendiment fisiològic que, a la vegada, afecten en última instància l'evolució dels trets fenotípics. «A més, els models biofísics poden capturar els mecanismes clau que impulsen les interaccions entre els organismes i el clima i, per tant, es poden utilitzar per predir les respostes dels organismes al canvi climàtic», conclou Rubalcaba.
- UNIVERSIDAD REY JUAN CARLOS
- ROYAL INSTITUTION FOR THE ADVANCEMENT OF LEARNING MCGILL UNIVERSITY
- Fitxa del projecte CORDIS (pdf)
- Web investigador
- Limitacions físiques en la termoregulació i l'evolució morfològica de l'impuls …
- El clima impulsa la variació global dels trets funcionals als llangardaixos
- La limitació d'oxigen pot afectar la dependència de la temperatura i la mida de…
- La temperatura corporal i els patrons d'activitat modulen els nivells de glucoc…
- Web d'UNIVERSITAT REI JUAN CARLOS
- Web de ROYAL INSTITUTION FOR THE ADVANCEMENT OF LEARNING MCGILL UNIVERSITY
Projectes relacionats
