Understanding cumulative human impacts in a marine ecosystem with computational experiments

Mennesker påvirker marine økosystemer på mange måter, som gjennom klimaendringer, forurensning og overfiske. Kumulative effekter refererer til de samlede effektene av slike stressfaktorer. Disse utgjør en av de største truslene mot økosystemer og biologisk mangfold. Likevel vet vi lite om hvordan stressfaktorer virker sammen i komplekse økosystemer. Dette gjør det utfordrende å forvalte våre kyst- og havområder bærekraftig. CLIMAX-prosjektet har som mål å bedre forstå kumulative påvirkninger gjennom datasimuleringer. Det introduserer innovative modellerings- og dataanalysemetoder som kombinerer dagens datakraft med kunnskapen som økologer har bygget i flere tiår gjennom felt- og laboratoriestudier. CLIMAX vil vise potensialet til disse nye metodene med en casestudie: menneskelige påvirkninger i Skagerrak og Kattegat. Her tar prosjektet for seg to sentrale miljøspørsmål. For det første vet vi allerede mye om de enkelte stressfaktorenes effekter på individuelle arter – men hvordan samhandler disse stressorene ved å skape økosystemendringer som redusert biologisk mangfold og produktivitet? For det andre, hvordan påvirker langvarig stress økosystemets evne til å motstå og komme seg etter ekstreme hendelser som marine hetebølger? Marine økosystemer er bemerkelsesverdig stabile, men kumulative påvirkninger kan overvelde deres evne til å motstå og komme seg etter forstyrrelser. Derfor kan CLIMAX sine resultater forbedre bærekraftig bruk og vern av marine økosystemer i Norge og andre steder.

Cumulative impacts refer to the combined effects of multiple stressors on an ecosystem, e.g., climate change, pollution, and fishing. They are one of the biggest threats to ecosystems and biodiversity, but understanding them better remains a grand challenge in marine ecology. Modeling is a crucial component of tackling this challenge. However, current modeling approaches contradict empirical studies, suffer from data limitations, or ignore the statistical possibilities arising when ecosystem simulations are run many times. New modeling and analysis approaches are therefore needed. CLIMAX aims to 1) make a leap in the modeling of cumulative impacts and 2) exploit this methodological progress to understand how cumulative impacts emerge at the ecosystem scale. CLIMAX’s scientific potential comes from a novel combination of leading-edge computational methods and a strong foundation in the empirical literature. This integration of methods is based on three ideas. First, ecosystem models (here, Ecospace) can simulate how stressor effects identified in empirical studies might ripple through the food web. Second, ecosystem models can generate big data about the simulated ecosystem in computational experiments (running the model many times with changing inputs). Third, such big data allow for unprecedented statistical analyses of how ecosystem-scale changes might emerge in the model system. CLIMAX will develop these methods, make them available in free software, and show their scientific potential by addressing two critical research questions: 1) How might stressor interactions at the ecosystem scale emerge from known effects on individual species? 2) How do chronic stressors affect ecological resilience to short-term, extreme disturbances like marine heatwaves? By combining the best computational methods and harnessing the unprecedented computing power available today, CLIMAX has the potential to set an ambitious agenda for modeling cumulative impacts for decades to come.