Palestra: Modelagem de nicho ecológico

Modelagem de nicho ecológico como ferramenta para a Biologia da Conservação João G. R. Giovanelli

Orientador: Prof. Dr. João Alexandrino

Tópicos abordados: Conceituação: • Biogeografia, modelos, nicho ecológico, pressupostos...

Como funciona a “Ferramenta”: • Tipo de dados: pontos, polígonos e camadas ambientais (SIG) • Modelos (algoritmos e softwares) • Base de dados • Processo de modelagem

Aplicação da “Ferramenta” na Biologia da Conservação: • Áreas prioritárias para Conservação • Mudanças climáticas • Espécies raras ou ameaçadas.

• Invasão de espécies exóticas.

Introdução • Descobrir como e onde os organismos estão distribuídos geograficamente no tempo/espaço tem inspirado muito pesquisadores ao longo da história.

• Modelos matemáticos foram desenvolvidos para prever a distribuição geográfica de plantas e animais.

• Relação espécie-ambiente • Três fases modelagem:

do

I) não-espacial II) dedutiva III) matemática

processo

de

Mas o que é um modelo matemático?

e^rt. N(0) 1+N(0).(e^rt -1 )/K • Simplificação da realidade entendimento de certos processos.

para

facilitar

o

• Para isto é necessário abstrair e incorporar apenas um detalhe importante e suficiente para produzir padrões observados.

Modelagem de nicho ecológico • Associa matematicamente, de forma simples ou complexa, a presença de uma espécie com um conjunto de variáveis ambientais.

• A modelagem de nicho ecológico é capaz de gerar distribuições potenciais (mapas) a partir da correspondência entre registros de ocorrência e dados ambientais.

• Atualmente conservação:

tem

sido

muito

usada

em

biologia

- Prever o efeito do aquecimento global nas espécies - Seleção de áreas prioritárias para conservação - Biologia da invasão

da

?

Mas como estimar o nicho ecológico?

Existem dados para isso?

Nicho ecológico X Hábitat Qual é o formato dos resultados?

Cenários atuais, do passado e futuro!?

Joseph Grinnell (1877-1939) “…the ultimate distributional unit, within which each species is held by its structural and instinctive limitations” (1924).

Cada especie possui seu próprio perfil fisiológico, morfológico e comportamental, que lhe permite ocupar espaços particulares oferecidos pela natureza.

“Nicho ecológico fundamental”

Evelyn Hutchinson (1903-1991) “O nicho ... é definido como a soma de todos os fatores ambientais que atuam sobre um organismo; o nicho é assim definido como uma região de um hiperespaço n-dimensional... " (1944).

Nicho ecológico realizado = parte do nicho fundamental que a espécie é capaz de ocupar

“Nicho Ecológico” – para MNE • Conjunto de condições ecológicas (fatores abióticos) que determinam a ocorrência de uma espécie em um espaço geográfico.

G.E. Hutchinson (1958) suggested that the niche could be modeled as an imaginary space with many dimensions, in which each dimension or axis represents the range of some environmental condition or resource that is required by the species.

Temperatura

• Capturamos a informação ambiental (meio abiótico) do nicho realizado.

Precipitação

Processo de Modelagem 1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Tenha uma pergunta Obter pontos de ocorrĂŞncia Extrair dados ambientais Construir modelo matemĂĄtico Predizer Avaliar Aplicar

Tipos de dados – SIG básico Pontos Vetor

Raster

Linhas

Áreas

(!

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Como conseguir pontos de ocorrĂŞncias?

Coleções de Pássaros Mexicanos Paris

Museu Britânico

Field Museum KU - Museu de História Natural

“Museu Mundial” de Pássaros Mexicanos

Dados ambientais utilizados nas análises – Clima: temperatura, precipitação, radiação solar, cobertura de nuvens, neve, ventos...

– correntes marinhas, salinidade....

– Relevo: altitude, aspecto, bacias hidrográficas, fluxos, etc – Cobertura Vegetal: NDVI, Vegetation Continuous Fields, etc – Hidrografia – Uso e ocupação do solo

Presença das espécies

Precipitação

Temperatura

Altitude

Pontos de Ocorrência

Temperatura

Previsão da Distribuição

Precipitação

Algoritmo

Lestoros inca Incan Shrew Opossom

Photo by B. Patterson

Modelos MĂŠtodos

Modelos/software name

Tipo de dados

Climatic envelope

BIOCLIM

Presence-only

Gower Metric

DOMAIN

Presence-only

Ecological Niche Factor Analysis (ENFA)

BIOMAPPER

Presence/background

Maximum Entropy

MAXENT

Presence/background

Genetic algorithm

GARP

Presence/pseudoabsence

Regression: Generalized linear model (GLM) and Generalized additive model (GAM)

GRASP

Presence/absence

Artificial Neural Network (ANN)

SPECIES

Presence/absence

Classification and regression trees (CART), GLM, GAM and ANN

BIOMOD

Presence/absence

Boosted decision trees

(implemented in R)

Presence/absence

Multivariate adaptive regression splines (MARS)

(implemented in R)

Presence/absence

Bioclim Histograma da freqüência da ocorrência dos pontos nas classes de precipitação

Distribuição é corrigida para eliminar os registros marginais de habitat

GARP - Algoritmo Genético para Previsão baseada em Conjunto de Regras (ou “caixa preta”) • Desenvolvido por David Stockwell, no San Diego Supercomputer Center • Tem a vantagem de utilizar múltiplos algoritmos (BIOCLIM, regressão logística ...)

• Diferentes regras podem se aplicar a diferentes setores da distribuição da espécie • Usa um algoritmo genético para escolher as melhores regras (idéia de seleção natural, os modelos menos acurados são eliminados)

MAXENT • Técnica desenvolvida por pesquisadores da AT&T para remontar mensagens em linhas de celulares.

• Realiza previsões ou inferências a partir de informações incompletas.

• A idéia central é estimar a probabilidade de ocorrência da espécie encontrando a distribuição de probabilidade de máxima entropia.

• O princípio

da máxima entropia é elaborar uma

aproximação onde sejam respeitadas todas as restrições conhecidas acerca da distribuição da espécie.

Avaliação de modelos Capacidade do modelo minimizar erros de omissão e comissão

comissão

omissão deserto

Aplicações

Ec ol

og

ic al n

ic he

m

od

el li

ng

Seleção de áreas prioritárias para Conservação

Planejamento ambiental

Potencial + uso e ocupação do solo

Potencial

Leopardus pardalis Puma concolor Amazona viridigenalis Catherpes mexicanus

Hotspots na Mata Atl창ntica

Maxent

Maxent

Murray-Smith et al., 2009

Áreas de alta concentração de anfíbios ameaçados da Costa Rica

Garcia & Giovanelli, em preparação

Ă rea de estabilidade

wikipédia

Mudanças climáticas

Nature, 2004

Modelagem de Biomas Presente

Cenรกrio futuro otimista

Cenรกrio futuro pessimista

Siqueira & Peterson, 2003

Impacto do aquecimento global em Artibeus planirostris*

Resultado atual

* Burneo et al. in. prep.

Resultado futuro (2xCO2)

Avaliação do impacto aquecimento global na distribuição geográfica de anuros da Mata Atlântica

João Giovanelli1*, Célio F. B. Haddad1 & João Alexandrino1

1

Laboratório de Herpetologia, Departamento de Zoologia, I.B., UNESP - Rio Claro, SP *E-mail: jgiovanelli@gmail.com

Hypsiboas bischoffi

Atual Redução de áreas propícias no sudeste

Aumento de áreas propícias no sul

Futuro=2xCO2 Haddad et al. 2008

gênero Brachycephalus

Atual

Possível perda de hábitat na região sul Futuro=2xCO2 Haddad et al. 2008

Descobrir novas áreas de ocorrência de espécies raras

100km

Descobertas de localidades de ocorrĂŞncia e espĂŠcies novas*

Day geckos (Phelsuma)

* Raxworthy et al. 2005

• Phyllomedusa ayeaye é uma espécie rara e criticamente em perigo de extinção.

• Era somente encontrada no Morro do Ferro, Poços de Caldas – MG. • Recentemente foi encontrada no PN Canastra e no PE Furnas do Bom Jesus, sendo o primeiro registro para SP.

Foto: Célio Haddad

O trabalho teve como objetivos:

• usar modelos de nicho ecológico simples para prever novas áreas de ocorrência desta espécie na região sudeste do Brasil; • verificar se a distribuição de unidades de conservação nesta região é suficiente para proteger e conservar a espécie; • contribuir para direcionar novos esforços de coleta para possíveis áreas de ocorrência previstas pelo modelo.

Previsão do potencial de invasão de espécies exóticas

Peterson, 2003

Potencial de Invasรฃo global de Corvus splendens*

Nyรกri et al. 2006

Peterson et al., 2003

• A rã-touro está entre as 100 piores espécies invasoras do mundo (Lowe et al., 2000).

• Nativa da América do Norte, porém foi introduzida em várias partes do mundo.

• No Brasil a introdução ocorreu por volta da década de 30, com o incentivo para criação destes animais.

• Atualmente pode ser vista ou ouvida em várias localidades, principalmente na região Sul. • Pode estar contribuindo para o declíneo de espécies nativas de anuros.

• O objetivo central do estudo foi gerar um mapa da distribuição potencial de Lithobates catesbeianus no Brasil, usando como informação a distribuição nativa.

• Comparar os resultados do modelo com as informações disponíveis sobre a distribuição desta espécie no Brasil.

Pontos de ocorrência da distribuição nativa

• 784 pontos de ocorrência • Global Biodiversity Information Facility (GBIF) e Herpenet

Considerações Finais

Giovanelli et al., 2009. submetido

A delimitação importância...

da

área

de

estudo

é

de

vital

Giovanelli et al., 2009. submetido

A relev창ncia do mapa planejamento ambiental...

das

r찾s

invasoras

no

Modelagem de uma espécie rara: desafio estatístico necessário

Ações de conservação dinâmicas....

Perpectivas futuras...

• Inserir interações bióticas nos modelos.

• Da macroescala para Meso e Microescala.

• Popularizar o uso de modelos em ações de conservação = diminuição de custos.

• Desenvolver melhores cenários futuros e passados.

• Pesquisa básica

Links: • DIVA-GIS - www.diva-gis.org • MAXENT - www.cs.princeton.edu/~schapire/maxent • Land Cover – www.glcf.umiacs.umd.edu • CRIA – www.cria.org.br • GBIF - www.gbif.org/

Obrigado!!

Visitem: http://openmodeller.sourceforge.net/