Qualitative modelling of ecological systems: Extending calculation procedures and applications

Lo scopo di questo lavoro di dottorato è di contribuire allo sviluppo della scienza delle reti in ambito ecologico. In particolare il lavoro si focalizza sulla tecnica della loop analysis ampliandone le potenzialità dell’algoritmo implementato su piattaforma informatizzata introducendo un’estensione quantitativa dell’algoritmo di predizione. Lo scopo è quello di rendere più efficace la ricerca dei maccanismi alla base delle risposte degli ecosistemi agli eventi perturbativi. Dopo una presentazione della metodologia e dei suoi limiti, con particolare attenzione alla mancanza di quantificazione dei coefficienti di interazione tra le component dell’ecosistema la tesi si sviluppa in tre capitoli. Nel capitolo 3 è presentato il software “LevinsAnalysis”, che è stato sviluppato in ambiente R. Lo compongono diverse funzioni che consentono una più agevole applicazione dell’algoritmo previsionale a qualsiasi rete interattiva di tipo ecologico (e non solo). L’applicabilità di tali funzioni è sviluppata attraverso un caso di studio inerente l’ecologia degli ambienti di savana. Il Capitolo 4 è dedicato a una applicazione ecologica e riguarda lo studio della comunità del Mar Caspio finalizzato alla comprensione dei meccanismi che hanno generato le trasformazioni ecologiche osservate in quell’ecosistema, con particolare riferimento alla riduzione drastica di alcune specie ittiche e di mammiferi e all’esplosione degli organismi gelatinosi. Lo studio ha mostrato l’importanza di alcune componenti dal punto di vista dinamico, e ha consentito di formulare ipotesi causative sulle risposte dell’ecosistema alle perturbazioni, risposte che si ricavano dallo studio dei percorsi di interazione e della loro intensità. Il capitolo 5 è sostanzialmente un capitolo di discussione in cui si enfatizzano gli aspetti applicativi della loop analysis anche in contesti non strettamente ecologici, data la versatilità della tecnica. Così lo strumento diventa importante per analizzare sistemi socio-ecologici, che considerano, cioè, non solo variabili ecologiche come prede e predatori ma anche le interferenze di organizzazioni governative, e gli effetti delle dinamiche sociali.

The aim of this Ph.D. was to contribute to the discipline of ecosystems networks, in particular to loop analysis, by improving on the current algorithm implementations, with particular emphasis in developing an approach to couple systems quantitative information to the analytical processes of loop analysis, and through it allow the exploration the mechanism behind a systems responsiveness to perturbations, that is, the importance of both the variables, the structure of linkages between them and the intensity of those linkages. In this thesis, after a presentation of the loop analysis and its main drawback, the inherent lack of associated link intensity and the repercussions these have on the system’s responsiveness, three chapters follow. In Chapter 3, the LevinsAnalysis R package is presented. In this package the improved code and its applications explained and demonstrated through the application of the package functions to a case study, the Savannah Fires (Bodini & Clerici, 2016) model. This case was specifically selected to demonstrate the potential of the package and its novel approach to identification of the importance of linkage strength and path analysis. In Chapter 4, I explore the Caspian Sea network prior to Mnemiopsis leidyi invasion, with the aim of investigating the mechanism behind the changes observed on multiple species and their importance compared with one another, the role that different species, the strength of interaction of the links and paths connecting them might have played in the system response to the different pressures it suffered. The result of this analysis, pointing to the importance of both kilkas and bony fish in the system’s response to perturbations such as overfishing. Phytoplankton also emerges as potentially playing an important role in the system, in particular a possible negative input on this variable seems to be of importance in describing the changes observed in the system. From this chapter also comes about how the strength of interplay between variables and from there the strength of pathways connecting the system play a central role in the Caspian Sea system and its response to press perturbations. In Chapter 5, a discussion is taken on the viability and potential use of loop analysis in the study of systems whose variables lay across the social and the ecological domains: species populations, predators and prey, but also governmental organizations, human dynamics and social mechanisms.