Analysing biodiversity: the necessity of interdisciplinary trends in the development of ecological theory

Abstract

Technological advancement has an ambivalent character concerning the impact on biodiversity. It accounts for major detrimental environmental impacts and aggravates threads to biodiversity. On the other hand, from an application perspective of environmental science, there are technical advancements, which increase the potential of analysis, detection and monitoring of environmental changes and open a wider spectrum of sustainable use strategies.

The concept of biodiversity emerged in the last two decades as a political issue to protect the structural and functional basis of earthbound life. In this respect, it represents a great challenge for science, in particular for ecology, which is the scientific discipline mainly involved in contributing to understand biodiversity issues.

In this paper, we state a strong necessity for ecologists to work in close connection with other disciplines and within their own discipline across the different organisation levels. Each level has some specific properties to which ecological terminology has been adapted, and joint views are necessary to understand complex networks. In this context, ecological theory provides the background to analyse biological complexity and the relationship of structure and dynamics on different integration levels and provides the interface to mediate social and political issues.

Important features of new technologies for advances in ecological theory refer to (1) an increase in information processing capacities, (2) more efficient automatic data acquisition and device operation, and (3) an increase in resolution (grain and extent).

One crucial consideration we analyse is the trend that aquantitative development in one particular discipline may open a new potential forqualitative advancement in other disciplines when the quantitative advancement is applied in a new disciplinary context.

We illustrate these qualitative developments that are based on technological advancements and which helped to advance ecological theory qualitatively with two examples: (1) The underlying mechanisms causing regularly oscillating rodent populations are subject to a decade long discussion in ecology. Using the possibilities of modern information processing, it is possible to represent the discussed hypotheses in an integrative object oriented model and analyse how the underlying causal net works. (2) The second example originates from biosafety research dealing with the environmental impact of genetically modified organisms (GMO). The project GenEERA develops a complex up-scaling procedure from below field-level information to the landscape scale in order to investigate spread and persistence of GM oil seed rape (Brassica napus) under different scenarios. The approach gives an example, how ecological modelling can be used to combine different information levels to derive conclusions on a higher spatial scale.

In an overall conclusion we relate the described approaches to a wider system analytical context in which we interpret theory developments and biodiversity issues with a system theoretical description of growth processes. We obtain the view that in self-organising systems there is a tendency for autonomous development which tends to be dominating far away from capacity limitations. However, while approaching capacity limitations, a tendency towards closer coupling of internal and external cause-effect networks emerges. We also find that the relation of biodiversity, ecosystem services, and social dynamics can be interpreted in this framework. In this context, the demand for closer interdisciplinary cooperation to solve existing problems appears as an indication of emerging capacity limitations (or the reaching of saturation levels) both, in the theoretical as well as in the (bio-) physical domain.

Zusammenfassung

Technischer Fortschritt ist von zweierlei Belang hinsichtlich Biodiversität: Einerseits ist solcher Fortschritt für beträchtliche Umweltschäden verantwortlich; andererseits gibt es technische Errungenschaften, die hinsichtlich der Anwendung von Umweltwissenschaften das Potential zur Analyse, Entdeckung und Überwachung von Umweltveränderungen vergrößern und ein breiteres Spektrum nachhaltiger Nutzungsstrategien eröffnen.

Der Begriff Biodiversität ist in den letzten beiden Jahrzehnten als politisches Thema in Erscheinung getreten, wo es um den Schutz der strukturellen und funktionellen Basis des erdgebundenen Lebens ging. In dieser Hinsicht stellt Biodiversität eine große Herausforderung an die Wissenschaft dar, insbesondere an die Ökologie, die sich als wissenschaftliche Disziplin hauptsächlich damit befasst, zum Verständnis von Problemen in Zusammenhang mit Biodiversität beizutragen.

In diesem Beitrag weisen wir auf die starke Notwendigkeit hin, dass Ökologen eng mit anderen Disziplinen und innerhalb ihrer eigenen Disziplin quer durch die verschiedenen Organisationsebenen zusammenarbeiten. Jede Ebene hat ihre spezifischen Eigenschaften mit ihrer entsprechend angepassten ökologischen Terminologie, doch um komplexe Netzwerke zu verstehen sind gemeinsame Sichtweisen nötig. In diesem Zusammenhang stellt ökologische Theorie den Hintergrund für die Analyse biologischer Komplexität und der Beziehung zwischen Struktur und Dynamik auf verschiedenen Integrationsebenen, während sie zugleich als Schnittstelle zur Vermittlung zu sozialen und politischen Fragen dient.

Als wichtige Beiträge neuer Techniken zu Fortschritten in ökologischer Theorie sind zu nennen (1) die Zunahme an Informationsverarbeitungskapazitäten, (2) effizientere automatische Datenerfassung und (3) verbesserte Auflösung (Feinheit und Ausdehnung).

Als zentralen Punkt analysieren wir den Trend, dass einequantitative Entwicklung in einer bestimmten Disziplin ein neues Potential fürqualitativen Fortschritt in anderen Disziplinen eröffnen kann, sobald die quantitative Fortentwicklung in einem neuen fachlichen Zusammenhang eingesetzt wird.

Wir illustrieren solche qualitativen Entwicklungen, die auf technischen Fortschritten gründen und zu neuen Entwicklungen in ökologischer Theorie beigetragen haben, anhand zweier Beispiele: (1) Die Mechanismen, die den regelmäßigen Oszillationen von Nagerpopulationen zugrunde liegen, sind seit zehn Jahren Gegenstand ökologischer Diskussionen. Die Nutzung der Möglichkeiten der modernen Datenverarbeitung ermöglicht es nun die diskutierten Hypothesen mithilfe eines integrativen, objektorientierten Modells darzustellen und zu analysieren, wie das zugrunde liegende kausale Netz funktioniert. (2) Das andere Beispiel stammt aus der Biosicherheitsforschung, die sich mit den Umwelteffekten genetisch modifizierter Organismen (GMO) befasst. Das GenEERA-Projekt entwickelt ein komplexes Verfahren zur Hochrechnung von kleinskaligen Daten zu ganzen Landschaften, um damit die Ausbreitung und Beständigkeit von GM-Raps (Brassica napus) unter verschiedenen Szenarien zu untersuchen. Dieser Ansatz kann als Beispiel dienen, wie mithilfe ökologischer Modelle verschiedene Informationsebenen kombiniert werden können, um zu Aufschlüssen zu gelangen, die auch im größeren räumlichen Maßstab Gültigkeit haben.

Resümierend stellen wir die beschriebenen Ansätze in einen breiteren systemanalytischen Kontext, in dem wir theoretische Entwicklungen und Biodiversitätsfragen mithilfe einer systemtheoretischen Beschreibung von Wachstumsprozessen interpretieren. Wir kommen zu der Sicht, dass selbstorganisierende Systeme eine Tendenz zu autonomer Entwicklung zeigen, die fern von Kapazitätsgrenzen dominiert. In der Nähe von Kapazitätsgrenzen zeigt sich dagegen eine Tendenz zu engerer Kopplung zwischen internen und externen Ursache-Wirkung-Netzwerken. Nach unserem Befund lässt sich auch die Beziehung zwischen Biodiversität, Ökosystemdiensten und sozialer Dynamik in diesem Rahmen interpretieren. In diesem Kontext erscheint uns die Forderung nach engerer interdisziplinärer Kooperation zur Lösung bestehender Probleme als ein Zeichen aufkommender Kapazitätsgrenzen (oder des Erreichens von Sättigungsniveaus) sowohl in der Theorie als auch in der (bio-)physikalischen Welt.

Résumé

Le progrès technologique possède un caractère ambivalent pour ce qui est de son impact sur la biodiversité. Il est responsable de préjudices majeurs sur l’environnement et accroît les menaces pesant sur la biodiversité. D’un autre côté, du point de vue des applications des sciences de l’environnement, certains progrès techniques accroissent le potentiel d’analyse, de détection et de contrôle des changements écologiques, et débouchent sur un éventail plus large de stratégies pour un usage fondé sur la durabilité.

Le concept de biodiversité est né au cours des deux dernières décennies comme thématique politique visant à protéger la base structurelle et fonctionnelle de la vie sur terre. À cet égard, il constitue un important défi pour la science, en particulier pour l’écologie, qui est la discipline scientifique la plus impliquée dans la tâche de comprendre les questions de biodiversité.

Dans le présent article, nous affirmons qu’il est absolument nécessaire que les écologistes travaillent en relation étroite avec d’autres disciplines, et dans leur propre discipline à tous les niveaux d’organisation. À chaque niveau se trouvent des caractéristiques spécifiques auxquelles la terminologie écologique a été adaptée, et il faut unir les différentes perspectives pour parvenir à la compréhension des réseaux complexes. Dans ce contexte, la théorie écologique fournit la base à l’analyse de la complexité biologique et de la relation entre structure et éléments dynamiques à différents niveaux d’intégration, et constitue une interface avec les thématiques sociales et politiques.

Les grandes caractéristiques des nouvelles technologies pour faire progresser la théorie écologique concernent (1) davantage de capacités de traitement de l’information, (2) une collecte automatique des données et des systèmes de traitement plus efficaces, et (3) une résolution accrue (grain et extension).

L’un des éléments majeurs de notre analyse est la tendance selon laquelle un développementquantitatif dans une discipline particulière peut dégager un nouveau potentiel pour des progrèsqualitatifs dans d’autres disciplines, quand le développement quantitatif est appliqué au contexte d’une autre disciplinaire.

Nous illustrons par deux exemples ces développements qualitatifs basés sur les progrès technologiques, qui contribuent à faire progresser qualitativement la théorie écologique : (1) les mécanismes sous-jacents provoquant des oscillations régulières dans les populations de rongeurs font l’objet d’un débat écologique depuis dix ans. En recourant aux possibilités du traitement moderne des informations, il est possible de représenter les hypothèses en jeu dans un modèle intégrateur orienté sur l’objet, et d’analyser les réseaux causals sous-jacents. (2) L’autre exemple est issu de la recherche sur la biosécurité et concerne les conséquences écologiques des organismes génétiquement modifiés (OGM). Le projet GenEERA développe une procédure complexe de gradation allant de l’information issue du niveau inférieur sur le terrain à l’échelle d’une aire plus vaste, dans le but d’étudier la diffusion et la persistance du colza oléagineux GM (Brassica napus) selon différents scénarios. L’approche illustre comment utiliser les modèles écologiques pour combiner différents niveaux d’information et en faire dériver des conclusions à une échelle spatiale plus élevée.

Dans une conclusion générale, nous plaçons les approches décrites dans un contexte analytique plus vaste, dans lequel nous interprétons les développements de la théorie et les thèmes de la biodiversité au moyen d’une description théorique systémique des processus de croissance. Nous en arrivons à la conclusion que les systèmes auto-organisés présentent une tendance au développement autonome qui tend à être dominante loin des limites de capacités. À proximité des limites de capacités toutefois, il apparaît une tendance à une association plus étroite entre les réseaux internes et externes de causes et d’effets. Nous avons constaté que la relation entre la biodiversité, les services à l’écosystème et la dynamique sociale peut également être interprétée selon cette grille. Dans ce contexte, la demande d’une coopération interdisciplinaire plus étroite pour résoudre les problèmes existants semble indiquer l’émergence de limites de capacités (ou le fait que des niveaux de saturation sont atteints) tant dans le domaine théorique que dans le domaine (bio)physique.