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/