Adaptability and resilience at different levels of ecological and social systems

• Thesis title in Czech: Schopnost adaptace a resilience na různých úrovních ekologických a společenských systémů
• Thesis title in English: Adaptability and resilience at different levels of ecological and social systems
• Key words: diverzita ekosystémů, plasticita, resilience, nerovnovážná termodynamika, kulturní evoluce
• English key words: ecosystem diversity, plasticity, resilience, non-equilibrium thermodynamics, cultural evolution
• Academic year of topic announcement: 2024/2025
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Philosophy and History of Science (31-107)
• Supervisor: Mgr. Petr Tureček, Ph.D.
• Author: hidden - assigned by the advisor
• Date of registration: 14.10.2024
• Date of assignment: 14.10.2024
• Advisors: prof. David Storch, Ph.D.

References

Entropy, Information and Evolution (New perspectives on physical and biological evolution), MIT Press, 1988
Jeffrey Wicken: Evolution, Thermodynamics, and Information: Extending the Darwinian Program, Oxford University Press, 1987
Daniel R. Brooks, E. O. Wiley: Evolution As Entropy: Toward a Unified Theory of Biology, The University of Chicago Press, 1987
Jeffrey Wicken: Evolutionary self-organization and entropic dissipation in biological and socioeconomic systems, J. Social Biol. Struct. 9:261-273, 1986
Nassim N. Taleb: Antifragile: Things That Gain From Disorder, Penguin Group, 2012
Per Bak: How Nature Works: The Science of Self-Organized Criticality, Copernicus, 1996
Thomas Parr, Giovanni Pezzulo, Karl J. Friston: Active Inference: The Free Energy Principle in Mind, Brain, and Behavior, The MIT Press, 2022
Ilya Prigogine, Isabelle Stengers: Order out of Chaos, Bantam Books, 1984
Ian A. Hatton, Onofrio Mazzarsi, Ada Altieri, Matteo Smerlak: Diversity begets stability: Sublinear growth and competitive coexistence across ecosystems, Science, 2024

Preliminary scope of work

Cílem práce je zkoumat, jaké podmínky umožňují budovat schopnost adaptace ekosystémů a jejich resilienci vůči disturbancím.
Oblastí výzkumu jsou jednak ekosystémy živých organismů, tak i systémy společensko-ekonomické. S využitím jazyka evoluční teorie a ekologie je cílem pracovat s adaptabilitou a resiliencí jako společnými charakteristikami těchto komplexních systémů, nezávisle na zkoumané úrovni hierarchie.
Z pohledu termodynamiky lze disturbance brát jako přerušení nebo omezení toku energie mezi částmi systému. Ačkoliv jsou disturbance pro ekosystémy zátěží, za určitých podmínek mohou být nejenom prospěšné, ale dokonce nutné pro jejich rozvoj a udržení jejich dlouhodobé schopnosti adaptace a resilience.
Jedna z hlavních hypotéz se dá obecně formulovat takto: ekosystémy jsou komplexní adaptivní systémy a jsou antifragilní. To znamená, že jejich schopnost adaptace a resilience je přímo posilována disturbancemi. Určité disturbance tyto systémy vyžadují a bez nich degradují.
Zajímavá je zejména otázka, zda je klíčovou vlastností ekosystémů schopnost disturbance v určitých mezích samovolně vyvolávat. Konkrétně lze srovnat schopnost adaptace a resilienci různých ekosystémů, které si disturbance mohou samy vyvolat nebo je mají zajištěny z jiných vrstev systémové hierarchie.
Plánem je využít základní data z veřejných datasetů o ekologických a společensko-ekonomických systémech (např. data o struktuře a velikosti měst nebo ekonomických organizací) a obohatit je o ohodnocení kvantitativních a kvalitativních znaků pro sledování plasticity a resilience. Toto ohodnocení bude vytvořeno pomocí jednoduchých klasifikačních algoritmů (u strukturovaných ekonomických nebo ekologických dat) nebo pomocí deep learningu (např. computer vision v případě obrazových dat satelitních snímků měst, ze kterých lze takto získat informace o počtu různých typů zástavby v různém období). Pro analýzu dat budou využity kvantitativní metody a statistická analýza.
Získané poznatky projektu budou diskutovány také z pohledu praktické využitelnosti pro zlepšení schopnosti adaptace a resilience ekosystémů kolem nás.

Preliminary scope of work in English

The project aims to investigate what conditions allow building the adaptability of ecosystems and their resilience to disturbances.
The area of research comprises both ecosystems of living organisms and socio-economic systems. Using the language of evolutionary theory and ecology, the aim is to work with adaptability and resilience as common characteristics of these complex systems, regardless of the investigated level of hierarchy.
From the perspective of thermodynamics, a disturbance can be considered as an interruption or restriction of the flow of energy between parts of a system. Although disturbances are stressing the ecosystems, under certain conditions they can be not only beneficial, but even necessary for their development and for maintaining their long-term adaptability and resilience.
One of the main hypotheses can be broadly stated as follows: ecosystems are complex adaptive systems and they are antifragile. This means that their adaptability and resilience is directly enhanced by disturbances. These systems require certain disturbances and they degrade without them.
It is particularly interesting to ask whether a key feature of ecosystems is the ability to spontaneously invoke limited disturbances. Specifically, we can compare the adaptability and resilience of different ecosystems, which have the ability to independently invoke disturbances or they have those disturbances provided by other layers of the system hierarchy.
The plan is to use data from public datasets on ecological and socio-economic systems (e.g. data on the structure and size of cities or economic organizations) and extend them with an measures of plasticity and resilience. This assessment will be done using simple classification algorithms (for structured economic or ecological data) or deep learning (e.g. computer vision in the case of image data of satellite images of cities, to obtain numbers of different types of buildings in different periods). Quantitative methods and statistical analysis will be used for data analysis.
The findings from the project will also be discussed in terms of their practical applicability for improving the adaptability and resilience of the ecosystems around us.