Proxecto H2020 SCALE: Proxección de respostas á biodiversidade global a partir de principios biolóxicos básicos
- Tipo Proxecto
- Estado Cheo
- Execución 2019 -2022
- Orzamento asignado 232.497,6 €
- Ámbito Europeo
- Comunidade Autónoma Madrid, Comunidad de
- Fonte principal de financiamento Horizonte 2020
- Páxina web do proxecto https://doi.org/10.3030/843094
A produtividade e as taxas de crecemento dos bosques, os cultivos e a vexetación silvestre de todo o mundo aumentaron gradualmente debido á concentración de dióxido de carbono (CO2) no aire. A medida que estas concentracións seguen aumentando, é probable que as plantas respondan crecendo de forma máis robusta e ampliando as súas áreas de distribución. As proxeccións realistas dos impactos biolóxicos do cambio climático requiren un marco unificado capaz de integrar os avances de diversas áreas de investigación.
O proxecto SCALE, financiado pola UE, ten como obxectivo examinar detidamente como os mecanismos de transferencia de calor e auga determinan os patróns globais de riqueza de especies e as adaptacións térmicas dos ectotermos terrestres, un grupo particularmente vulnerable ao cambio global. O proxecto SCALE acadou os impactos propostos, incluíndo o desenvolvemento e a difusión de diferentes modelos mecanicistas para predicir as interaccións organismo-ambiente en escenarios climáticos actuais e futuros. A nosa investigación foi publicada en revistas multidisciplinares de alto impacto como Proceedings of the National Academy of Sciences, acadando unha importante cobertura mediática.
- Modelando a dirección e as restricións na evolución dos trazos funcionais en réptiles Desenvolvemos modelos biofísicos para predicir a temperatura corporal e o rendemento fisiolóxico en réptiles e usámolos para investigar como o rendemento térmico varía en resposta ao clima entre especies con diferentes tamaños corporais, cores de pel, capacidade termorreguladora e tolerancia fisiolóxica. Esta análise global permitiunos predicir numericamente a dirección e a forza da selección en diferentes trazos funcionais. Para probar estas predicións, coordinamos a diferentes expertos en macroecoloxía e fisioloxía térmica e comparamos os patróns preditos cos observados utilizando datos publicados de máis de 1200 especies de réptiles. Descubrimos que os modelos predicen con precisión a dirección e a forza do efecto do clima en diferentes trazos funcionais a escala global.
- Modelando as respostas a grande escala dos ectotermos tropicais ao cambio climático Moitos ectotermos, como os lagartos, aproveitan a heteroxeneidade dos seus ambientes para controlar o comportamento da temperatura corporal, por exemplo, movéndose entre microambientes expostos ao sol e á sombra. Non obstante, carecemos dun método para cuantificar esta capacidade de amortiguamento do comportamento a grande escala. Usamos o noso modelo biofísico de ectotermos para avaliar o potencial da termorregulación do comportamento para amortecer a temperatura corporal contra o cambio climático nos lagartos neotropicais que habitan nos bosques, un grupo especialmente vulnerable ao quecemento. Descubrimos que o aumento proxectado das temperaturas ambientais na Amazonia podería superar a capacidade máxima de amortiguamento estimada dos lagartos. O noso enfoque permite, por primeira vez, calcular a capacidade dos lagartos tropicais para amortecer os impactos do quecemento, un fito fundamental para deseñar estratexias de xestión eficaces para reducir a vulnerabilidade destas especies ao cambio climático e de hábitat.
- Modelando a taxa metabólica e a resposta dos ectotermos acuáticos ao cambio climático As respostas dos organismos ao cambio climático están mediadas polos seus efectos na fisioloxía. Nos ambientes acuáticos, tanto a temperatura da auga como a dispoñibilidade de osíxeno poden modular estas respostas alterando o metabolismo que alimenta o rendemento fisiolóxico. Non obstante, os modelos ecolóxicos destinados a predicir como os factores ambientais configuran o metabolismo aeróbico ignoran o papel do subministro de osíxeno. Desenvolvemos un modelo biofísico para investigar como a capacidade de absorción de osíxeno afecta á resposta dos ectotermos acuáticos ao quecemento climático. Nunha análise comparativa entre especies de peixes, demostramos que o modelo predí con precisión as complexas interaccións entre o tamaño corporal e a temperatura no rango aeróbico dos peixes. Os nosos resultados suxiren que as especies máis grandes poden estar máis restrinxidas que as especies máis pequenas en augas quentes debido ás limitacións físicas na capacidade de absorción de osíxeno.
- Modelando os custos da termorregulación en endotermos Os modelos de balance térmico biofísico poden estimar o custo metabólico necesario para que un organismo endotermo, como unha ave ou un mamífero, manteña unha temperatura corporal constante nun ambiente variable. Empregamos modelos biofísicos para abordar a cuestión pendente en macroecoloxía de por que o tamaño do corpo dos morcegos non segue os patróns xeográficos e evolutivos observados entre os mamíferos non voadores. Ao modelar os custos da termorregulación e os custos do voo, descubrimos que estes custos son similares aos que limitan o tamaño e a forma do corpo, especialmente en climas máis fríos. Ao analizar o tamaño e a forma de 278 especies de morcegos, atopamos que a evolución morfolóxica nos morcegos varía co clima e que a forza da selección é máis forte nas rexións máis frías que nas rexións máis cálidas, o que é consistente coa predición do modelo. Estes resultados arroxan luz sobre un debate de longa data sobre a conformidade dos morcegos cos patróns macroevolutivos observados noutros mamíferos e ofrecen un novo procedemento para investigar patróns macroecolóxicos complexos desde os primeiros principios.
- Organización de obradoiros e actividades de comunicación Un obxectivo clave de SCALE é difundir enfoques de modelización mecanicista entre investigadores de diferentes disciplinas, como fisioloxía e macroecoloxía, e de diferentes sistemas, como ambientes terrestres e acuáticos. Para conseguilo, organizamos dous obradoiros nos que presentamos o uso de modelos microclimáticos e biofísicos na modelización da distribución de especies e na predición dos impactos do cambio climático (IBS 2022, CSEE 2021). Ademais, para chegar a un público máis amplo e non especializado, lanzamos un blog no que presentamos os resultados máis relevantes do proxecto e desenvolvemos dúas "Shiny Apps" en R para permitir que calquera usuario interactúe cos modelos biofísicos en liña.
A predicción das respostas dos organismos ao cambio climático e de hábitat global segue a ser unha prioridade para a investigación ecolóxica. As proxeccións fiables destas respostas requiren a integración de información sobre os trazos fisiolóxicos e de comportamento que determinan a capacidade dos organismos para amortecer ou adaptarse aos cambios ambientais. Non obstante, a maioría das nosas ferramentas preditivas actuais baséanse en modelos fenomenolóxicos baseados en correlacións observadas entre organismos e ambientes, cunha capacidade limitada para predicir o rendemento dos organismos en condicións ambientais sen precedentes.
En macroecoloxía, o estudo das relacións entre os organismos e o seu ambiente a grandes escalas espaciais, están a xurdir enfoques mecanicistas. A diferenza dos modelos fenomenolóxicos, estes modelos mecanicistas baséanse nos principios físicos da transferencia de enerxía e masa e na información fisiolóxica para predicir como as variables de estado clave, como a temperatura corporal, a taxa metabólica ou o balance hídrico, responden ao clima a través do espazo e o tempo.
Malia o seu potencial, os modelos mecanicistas enfróntanse a desafíos significativos na macroecoloxía, como o problema de como escalar métricas individuais a niveis superiores de organización ecolóxica, como poboacións e conxuntos de especies. SCALE adopta unha perspectiva mecanicista para investigar como os balances de calor e masa se escalan en patróns macroecolóxicos e macroevolutivos en diferentes taxons animais, incluíndo ectotermos e endotermos terrestres e acuáticos. Para conseguilo, desenvolvemos modelos biofísicos de transferencia de calor e masa e empregamos técnicas computacionais de vangarda para simular a resposta de múltiples especies ao cambio climático e de hábitat.
Os obxectivos xerais de SCALE inclúen:
- Desenvolver e difundir modelos mecanísticos que proporcionen acceso a software recentemente desenvolvido e organizar obradoiros para facilitar a súa implementación.
- Validar modelos que comparen os patróns previstos cos observados de trazos funcionais das especies en gradientes climáticos a grande escala.
- Predicións do modelo de proxectos para escenarios futuros de cambio climático.
As proxeccións realistas dos impactos biolóxicos do cambio climático requiren un marco unificado capaz de integrar os avances de diversas áreas de investigación como a ecofisioloxía, a ecoloxía conductual e a bioxeografía. A modelización mecanicista en macroecoloxía emerxe como un marco prometedor para abordar este desafío, xa que busca describir patróns de biodiversidade baseados en procesos biofísicos, fisiolóxicos e conductuais que determinan como os organismos interactúan co seu ambiente. Neste proxecto, investigarei como os mecanismos de transferencia de calor e auga determinan patróns globais de riqueza de especies e as adaptacións térmicas dos ectotermos terrestres, un grupo particularmente vulnerable ao cambio global.
Os obxectivos específicos desta proposta son:
- Investigar como a regulación da temperatura e a dispoñibilidade de auga limitan os patróns globais de riqueza en especies de réptiles e anfibios
- Investigar.
- Predicir a resposta destes patróns ás condicións climáticas futuras. Para acadar estes obxectivos, combinarei modelos biofísicos de última xeración das vías de transferencia de calor e auga entre ectotermos e o seu ambiente con datos empíricos sobre a distribución xeográfica das especies e as características de tolerancia térmica obtidos da literatura.
En definitiva, esta proposta contribuirá ao campo emerxente da modelización mecanicista en macroecoloxía, proporcionando métodos para integrar múltiples fontes de información biolóxica e técnicas para predicir as respostas dos organismos ao cambio climático. A formación na análise xeográfica de modelos mecanicistas impulsará o meu desenvolvemento como investigador e innovador independente líder en macroecoloxía na UE.
Os organismos están conectados termodinamicamente co seu ambiente a través do intercambio de calor, auga e/ou osíxeno. Estas interaccións pódense capturar con "modelos biofísicos" que integran información sobre as condicións ambientais e as características dos organismos para predicir como se comportarían os individuos en calquera ambiente dado. Non obstante, estes modelos enfróntanse a desafíos e existe a necesidade de calibrar e validar os modelos combinando as súas predicións teóricas con observacións empíricas.
Aquí é onde entra en xogo o proxecto SCALE, financiado pola UE e apoiado polo Programa de Accións Marie Skłodowska-Curie. «O noso obxectivo era contribuír a un novo marco de modelización co que predicir as respostas dos animais ao cambio ambiental», explica Juan Rubalcaba, coordinador do proxecto. Para conseguilo, SCALE combinou datos interespecíficos, dispoñibles en ecofisioloxía, con predicións teóricas xeradas mediante modelos biofísicos. Despois, utilizou os modelos para predicir como deberían cambiar os trazos fisiolóxicos, como a taxa metabólica, en resposta ás condicións climáticas e examinou se as predicións do proxecto coincidían coas observacións empíricas.
O impacto do clima nos lagartos Existe un debate considerable sobre se o clima modula directamente trazos como o tamaño do corpo, a cor da pel e a tolerancia térmica. Para comprender mellor isto, SCALE empregou un modelo biofísico para predicir a temperatura corporal e o rendemento fisiolóxico de lagartos teóricos en diferentes climas. «Despois empregamos o modelo para investigar que fenotipos maximizarían o rendemento fisiolóxico en cada rexión simulando o efecto da selección natural no tamaño do corpo, a cor da pel, a tolerancia térmica e o comportamento termorregulador», explica Rubalcaba. O proxecto descubriu que os patróns xeográficos observados para a masa corporal, a tolerancia ao frío e a temperatura corporal óptima estaban significativamente relacionados coas súas predicións. «Polo tanto, os nosos resultados (ábrese nunha nova xanela) suxiren que o clima modula directamente estes trazos a través do seu efecto no rendemento térmico», engade Rubalcaba. Demanda e subministración de osíxeno en ectotermos acuáticos SCALE desenvolveu un modelo biofísico para investigar a subministración e a demanda de osíxeno nos peixes, tendo en conta os mecanismos fisicoquímicos que impulsan a transferencia de osíxeno a través da superficie das branquias. «Usamos o modelo para investigar a interacción entre a temperatura da auga, a dispoñibilidade de osíxeno, o tamaño corporal e o nivel de actividade na taxa metabólica e no rendemento fisiolóxico dos peixes», destaca Rubalcaba. O modelo predí que os animais grandes e activos terán unha capacidade limitada para obter o osíxeno necesario para satisfacer a súa demanda fisiolóxica en augas máis cálidas.
Polo tanto, os resultados de SCALE (ábrese nunha nova xanela) suxiren que o quecemento global prexudicará o rendemento fisiolóxico, o que supoñerá unha maior carga metabólica para os individuos máis grandes no futuro. A evolución do tamaño e a forma do corpo nos morcegos «Tamén investigamos como interactúan o tamaño do corpo, o tamaño das ás e a temperatura para determinar os custos do voo e os custos da termorregulación. O modelo mostra que as ás grandes reducen os custos do voo pero aumentan as taxas de disipación da calor, o que aumenta os custos da termorregulación, especialmente en climas fríos», confirma Rubalcaba. Usando datos morfolóxicos de especies de morcegos, SCALE descubriu que a relación superficie-masa das ás evoluciona cara a unha forma óptima e que a forza da selección é maior entre as especies que viven en climas fríos, o que está en liña coas predicións teóricas. Polo tanto, os resultados do proxecto (ábrese nunha nova xanela) suxiren que o clima inflúe na evolución do tamaño do corpo nos morcegos a través do seu efecto na demanda de enerxía. Estes resultados demostran que o clima ten unha influencia directa na demanda de enerxía e no rendemento fisiolóxico, que, á súa vez, afectan en última instancia á evolución dos trazos fenotípicos. "Ademais, os modelos biofísicos poden capturar os mecanismos clave que impulsan as interaccións entre os organismos e o clima e, polo tanto, pódense empregar para predicir as respostas dos organismos ao cambio climático", conclúe Rubalcaba.
- UNIVERSIDAD REY JUAN CARLOS
- ROYAL INSTITUTION FOR THE ADVANCEMENT OF LEARNING MCGILL UNIVERSITY
- Ficha informativa do proxecto CORDIS (pdf)
- Investigador web
- Restricións físicas na termorregulación e a evolución morfolóxica do impulso de…
- O clima impulsa a variación global nos trazos funcionais dos lagartos
- A limitación de osíxeno pode afectar a dependencia do metabolismo da temperatur…
- Os patróns de temperatura corporal e actividade modulan os niveis de glucocorti…
- Páxina web da Universidade Rei Xoán Carlos
- Sitio web da REAL INSTITUCIÓN PARA O AVANCE DA APRENDIZAXE DA UNIVERSIDADE MCGI…
Proxectos relacionados
