Att förstå och förbättra - med matematik som verktyg

Jag drivs i mitt arbete utifrån två olika krafter. Det ena är att förstå varför ett fenomen uppträder och de andra är en önskan av att förbättra en situation eller en företeelse. Egentligen är det nog något som vi alla har som drivkrafter i våra liv – att förstå varför någon gör på ett visst vis eller hur något är konstruerat och att förbättra en relation eller en konstruktion. Jag blir extra engagerad när det handlar om olika former av liv som natur, djur eller människor – att förstå olika fenomen i naturen är för mig en stor upplevelse men störst för mig är att inse en väg att förbättra tillvaron för djur och människor.

Modeller och matematik 

Fenomen i naturen är många gånger väldigt komplexa med många arter som är beroende av varandra och omvärldsfaktorer som klimat eller miljögifter. Det gör att det många gånger är svårt att förstå fenomen som varför en del arter fungerar som skadegörare medan andra arter riskerar att dö ut. Jag tar till modeller för att nysta upp hur systemet kan tänkas fungera. Det här är också någonting som vi alla gör när vi försöker förstå något komplext – alltså skapar oss en beskrivning, en modell, som kanske i första hand är i våra tankar men ibland också blir formulerad i ord och beskrivningar. En del gånger kanske vi gör det för enkelt för oss och modellen kanske inte alls hanterar den komplexitet som egentligen finns där och våra lösningar på problemet inte helt lyckade. För att göra det mer vetenskapligt och möjligt att testa modellerna använder jag mig av matematik. Modellerna som jag formulera utifrån tankar och begrepp blir matematiska ekvationer som jag sedan söker svaren och lösningarna från. Antingen prövar och analyserar jag den matematiska modellen via matematiska analytiska verktyg – det ger ofta tydliga resultat och lösningar som gäller utan stora begränsningar – eller så är modellen för komplex i sin matematik för att analyseras analytiskt och då måste jag pröva den via simuleringar och beräkningar i datorer. Jag har då fått en möjlighet att förstå systemet bättre och har jag dessutom tur så kan jag med modellens hjälp se en möjlighet till förbättring, t ex hur man kan minska risken för att en art dör ut, hålla nere en skadegörares populationsstorlek, minska risken för ett stort utbrott av en sjukdom. Jag har även studerat mer direkta problem för att med matematiska modellers hjälp förbättra djurvälfärden genom att minska hur långt djurtransporter går och kanske allra viktigast är projektet som har som mål att drastiskt minska hunger och svält på klotet genom att förbättra kretsloppet av näringsämnen och gödsel i livsmedelsproduktionen.

Matematiska modeller

De problem och fenomen jag försökt analysera är ganska olika men alla kretsar kring natur, djur och människor. En stor fråga är hur det kan komma sig att det finns så många arter? Vilka mekanismer gör att så många olika arter och livsformer kan existerar på en och samma plats – varför har inte några få arter tagit över och totalt dominerar habitatet? Matematiska modeller som utgår ifrån hur vi uppfattar de ekologiska systemen stödjer i första hand den andra lösningen, dvs att system med få arter är mer stabilt och sannolikt än system med många arter. I min forskning har jag lyckats visa på ett antal olika egenskaper som ett system kan ha som gör att sannolikheten för hög biologisk mångfald ökar. Här använder vi oss av matematisk analys på samma sätt som inom teoretisk fysik och studerar mindre enheter som tillsammans bygger upp större enheter – det är ett sätt att studera oändligt stora system (se periodiska randvillkor och KAM teori). Den kunskapen gör det lättare för oss att studera hur sannolikt det är att en enskild art eller ett system av arter klarar av att följa de förändringar som sker som resultat av klimatförändringar och hur vi förändrar landskapet till följd av jord- och skogsbruk samt urbanisering. Den typen av analyser gör vi i samarbete med forskare som gör klimatmodeller. En viktig komponent är också att kunna använda stora databaser på klimatdata och jord- och skogsbruk.

Förbättra tillvaron

Stora databaser och samarbeten ger oss också en möjlighet att studera andra fenomen och hitta nya möjligheter till förbättringar. Inom jordbruket finns stora databaser på djurhållning, odling och transporter. Vi har identifierat att det går att utnyttja dessa data för att förbättra våra möjligheter att minska risken för stora utbrott av djursjukdomar som t ex utbrott av mul- och klövsjukan. Idag har vi utvecklat modeller som beskriver hur sådan smittspridning kan ske och vilka metoder som kan vara effektiva – modellerna finns idag implementerade för Sverige, USA och Europa. Vi har också studerat hur djurtransporterna sker idag och visat på att det finns en stor möjlighet att minska på transporterna genom en effektivare planering. En planering som resulterar i både förbättrad djurvälfärd och minskade kostnader.

Jordbruket är den sektor som jordens sju miljarder människor är helt beroende av. Idag är det tyvärr ändå så att närmare en av dessa sju miljarder lever med kraftig näringsbrist till följd av hunger och svält. Denna situation med hunger och svält är i första hand ute på landsbygden där skördarna inte räcker till att mätta familjerna och detta är till stor del ett resultat av för lite gödsel på åkrarna (The self-reinforcing feedback between low soil fertility and chronic poverty. Barrett, C. B., & Bevis, L. E. (2015) Nature Geoscience, 8(12), 907-912). Samtidigt befinner sig stora delar av våra vattendrag, sjöar och hav under kraftig stress till följd av övergödning. Att dessa två företeelser existerar samtidigt och till följd av samma process - alltså till följd av hur vi hanterar gödsel från våra djurbesättningar och från våra samhällen – är etiskt inte försvarbart och inte heller värdigt ett samhälle idag. I det senaste projektet vi startat kombinerar vi det data som finns på vilka grödor som odlas var med var djurbesättningar finns och var våra samhällen är. Utifrån dessa data kan vi beräkna hur vi kan ta tillvara gödsel, dvs transportera tillbaka gödsel till åkrarna. Vi gör den här typen av beräkningar inte bara för EU-länder som Sverige utan även för Pakistan för att belysa att detta i första hand handlar om att ge den miljard som idag lever under svält och hunger en väg ut ur en fullständigt oacceptabel situation. Med det perspektivet kan man se det som en bonus att projektet även minskar risken för övergödning.

Vetenskap och samhället

Jag publicerar och presenterar i första hand min forskning i vetenskaplig litteratur.  Tidskrifter och forum varierar rätt så mycket till följd av de olika inriktningarna som projekten har, t ex Nature, Proceedings of Royal Society, Animal Welfare, Physical Review E, Boundary Value Problems, Theoretical Ecology, 2nd International Conference on Global Food Security, etc. En annan viktig gren för att resultaten skall komma till nytta och att det faktiskt sker en förbättringen är kontakten med näringsliv och organisationer. Idag har jag projekt med bl a HKScan, Skogforsk, LRF, transportföretag, Biogasföretag, KRAV, mfl.

Samarbete

För att kunna bedriva en forskning som är av den här omfattningen och bredden så gör jag det förstås i samarbete med andra och då i första hand givetvis i forskargruppen här på avdelningen för teoretisk biologi vid Linköpings universitet. En forskargrupp med mycket vilja och hög kompetens som består av doktorander, postdoktorer och yngre seniora forskare. Sedan har vi förstås samarbeten med kollegor på matematik institutionen här på Linköpings Universitet och givetvis med kollegor på andra universitet i Sverige och utlandet.

Publikationer
Visa/dölj innehåll

2019

Nyheter
Visa/dölj innehåll

Publikationer
Visa/dölj innehåll

2019

Relaterade nyheter
Visa/dölj innehåll