新研究模拟了生态和生物系统中的关键气候崩溃条件

随着人类继续通过气候变化造成环境破坏，预测不归路变得比以往任何时候都更加重要。在世界范围内，人类和自然都在应对气温升高、干旱、野火、飓风、海平面上升等问题。

赖英成(Ying-ChengLai)是亚利桑那州立大学IraA.Fulton工程学院电气工程系董事教授，他领导的项目调查了由速度引起的倾翻对自然环境的影响。速率引发的临界点量化了系统变化达到临界点的速率，或者对生态系统发生重大损害的关键时间，例如重要物种的灭绝。

赖和他的同事的最新研究分析了速率引起的倾斜对相互依赖生存的生物体的影响，例如珊瑚礁中的光合细胞和依赖它们的珊瑚。研究人员利用数学模型发现，为了避免环境灾难，系统需要使其变化速度尽可能接近停止，而不是简单地减慢速度。

该团队的研究为他们的论文《复杂高维生态网络中的速率诱导倾斜》赢得了《美国国家科学院院刊》的一席之地。

速率引起的小费研究的新领域

虽然临界点研究是一个成熟的领域，但Lai和他的同事(该项目的成员包括富尔顿学院电气工程博士后ShirinPanahi);YounghaeDo，韩国庆北国立大学数学教授;加州大学戴维斯分校专门研究理论生态学的杰出名誉教授艾伦·黑斯廷斯(AlanHastings)采用了一种新方法来检查系统状态速率的进展，以发现系统何时崩溃。

他们发现，之前该领域的研究专门关注相空间中的某些点，这些点依赖于系统状态的空间位置及其相关速率，而不是观察底层系统状态空间中所有可访问点的全貌。

赖和他的团队试图找到整个状态空间中速率引起的倾斜的概率，然后使用相应的数据建立一个可以普遍应用于生态和生物领域系统的数学理论。

评估环境影响

该研究应用的一个生态例子是分析气候变化导致的环境退化对珊瑚及其虫黄藻的影响，虫黄藻是生活在珊瑚中的微生物，通过光合作用为珊瑚提供食物。

随着海洋因吸收人类排放的更多碳而变暖，科学家可以利用速率引起的倾倒研究来确定何时较热的海水会对珊瑚造成不可逆转的损害。系统崩溃损害的一个例子是，热应力导致虫黄藻与珊瑚宿主分离，并使珊瑚处于脆弱状态——通常表现为珊瑚白化。

由于珊瑚支持着各种珊瑚礁生命，珊瑚白化对上游生态系统产生巨大影响，包括依赖珊瑚礁鱼类为食的人类。

“当参数变化率超过某个临界值时，系统可能会在相对较短的时间内崩溃，即大规模灭绝，”赖说。“主要发现是，即使是缓慢的参数变化也可能突然导致系统崩溃，带来灾难性后果。”

除了气候变化之外，这项研究还可以应用于生物系统，例如估计导致细胞无法执行其遗传决定的功能的变化率。

改变未来事件的进程

最终，赖希望通过他的利率引发的小费研究，让人类做好准备，避免未来的灾难或减轻其影响。他未来在该领域的项目旨在进一步拓展他目前的知识。

赖计划利用他在利率引发的小费研究中的发现来创建机器学习模型，该模型可以为更具体的应用精确定位系统性灾难。例如，他希望创建一个模型来预测大西洋经向翻转环流可能崩溃的可能性，大西洋经向翻转环流是目前在整个海洋中输送冷热水的系统，使西欧的气候保持温和。

随着海洋变暖，洋流的运动正在减慢，机器学习模型将建立在赖既定研究的基础上，以确定西欧何时应该为因洋流减弱而导致的气候严重变化做好准备。