A mathematical approach to protecting an endangered plant

Wednesday, Jan 26, 2022 • Linsey Retcofsky :

In a new study published in the journal Ecological Modelling, a team of researchers led by Benito Chen-Charpentier, professor of mathematics at The University of Texas at Arlington, devises a mathematical model to calculate the minimum habitat size for endangered plant species.

Due to human activities and population growth, the rate of species extinction and ecosystem degradation is increasing worldwide. Endangered plant species face challenges of habitat reduction caused by extreme weather, invasive species, infectious disease and human disturbances.

To assist in conservation efforts, Chen-Charpentier and colleagues developed and published a practical mathematical model to discover the minimum habitat area needed to sustain plant populations in fragmented landscapes.

“Mathematical modeling is an important tool to obtain insights into many aspects of ecosystem sustainability and management,” said Chen-Charpentier, who is senior author of the study. “Mathematicians can do a lot to help ecologists and biologists solve today’s most urgent problems in species conservation.”

The study, “Modeling the persistence of plant populations in fragmented ecosystems,” is among the first to provide practical answers to the key question of minimum or optimal habitat size to protect populations in fragmented ecosystems. Chen-Charpentier said most studies fail to address this central question, and scientists’ understanding of and capacity to predict the effects and outcomes associated with fragmentation is still elusive.

Using data from the Biological Dynamics of Forest Fragments Project, one of the largest and longest data collection experiments to analyze the ecological impact of habitat fragmentation, the team developed an ordinary differential equation to determine the minimum patch size necessary to sustain populations of Heliconia acuminata, an Amazonian herb native to South America.

The researchers found a significant correlation between fragment area and growth rate, confirming that the herb’s death rate responds more negatively to smaller habitat sizes. Further investigations are needed to verify if these findings can be applied to other plant populations in fragmented systems.

Chen-Charpentier said the study’s findings will not only help scientists, but could also aid architects and city planners looking to minimize environmental disturbances.

“When a city is developing a highway system, its planners may notice a plant population in the area that would not be able to survive the habitat reduction caused by construction,” Chen-Charpentier said. “Now, they could use mathematical modeling to calculate the optimal habitat size and adjust their plans to support the local ecosystem.”

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En un nuevo estudio publicado en la revista Ecological Modelling, un equipo de investigadores dirigido por Benito Chen-Charpentier, profesor de matemáticas en la Universidad de Texas en Arlington, diseña un modelo matemático para calcular el tamaño mínimo del hábitat para las especies de plantas en peligro de extinción.

Debido a las actividades humanas y al crecimiento de la población, la tasa de extinción de especies y la degradación de los ecosistemas está aumentando en todo el mundo. Las especies de plantas en peligro enfrentan desafíos de reducción de hábitat causados por clima extremo, especies invasoras, enfermedades infecciosas y perturbaciones humanas.

Para ayudar en los esfuerzos de conservación, Chen-Charpentier y sus colegas desarrollaron y publicaron un modelo matemático práctico para descubrir el área de hábitat mínima necesaria para sostener las poblaciones de plantas en paisajes fragmentados.

"El modelado matemático es una herramienta importante para obtener información sobre muchos aspectos de la sostenibilidad y la gestión de los ecosistemas", dijo Chen-Charpentier, autor principal del estudio. “Los matemáticos pueden hacer mucho para ayudar a los ecólogos y biólogos a resolver los problemas más urgentes de la actualidad en la conservación de especies”.

El estudio “Modeling the persistence of plant populations in fragmented ecosystems,”es uno de los primeros en brindar respuestas prácticas a la pregunta clave del tamaño mínimo u óptimo del hábitat para proteger las poblaciones en ecosistemas fragmentados. Chen-Charpentier dijo que la mayoría de los estudios no abordan esta pregunta central, y que la comprensión y la capacidad de los científicos para predecir los efectos y resultados asociados con la fragmentación aún es difícil de alcanzar.

Usando datos Biological Dynamics of Forest Fragments Project, uno de los experimentos de recopilación de datos más grandes y largos para analizar el impacto ecológico de la fragmentación del hábitat, el equipo desarrolló una ecuación diferencial ordinaria para determinar el tamaño mínimo de parche necesario para sostener las poblaciones de Heliconia acuminata, una hierba amazónica originaria de América del Sur.

Los investigadores encontraron una correlación significativa entre el área del fragmento y la tasa de crecimiento, lo que confirma que la tasa de mortalidad de la hierba responde de manera más negativa a tamaños de hábitat más pequeños. Se necesitan más investigaciones para verificar si estos hallazgos se pueden aplicar a otras poblaciones de plantas en sistemas fragmentados.

Chen-Charpentier dijo que los hallazgos del estudio no solo ayudarán a los científicos, sino que también podrían ayudar a los arquitectos y urbanistas que buscan minimizar las perturbaciones ambientales.

“Cuando una ciudad está desarrollando un sistema de carreteras, sus planificadores pueden notar una población de plantas en el área que no podría sobrevivir a la reducción del hábitat causada por la construcción”, dijo Chen-Charpentier. “Ahora, podrían usar modelos matemáticos para calcular el tamaño óptimo del hábitat y ajustar sus planes para apoyar el ecosistema local”.

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