Emergence of scaling in ecological communities from tropical forests to human mobility

This work is mainly focused on the study of the interrelationships between transportation networks and the structure of the ecological communities in which the transport takes place. Transportation is a common need in many and diverse natural systems composed by individuals that interact with each other by competing for the same resources or by cooperation. For the cases we investigated we found that the features of the transportation system are closely related to the structure of the community. For example in tropical forests we showed that the optimization of the transportation of water and resources to the leaves poses strict restrictions on the distribution of tree sizes. Also, in the context of human mobility we found that the commuting fluxes of people within a country are driven by the spatial distribution of population. In particular we discovered that in both tropical forests and human settlements the adaptation/evolution of the transportation network responds to simple optimality principles of efficiency, distinctive of each system. In forests, the transportation network is constituted by trees, whose number, size and shape characterize the efficiency in the transportation of water. The relationship between size and abundance as well as the scaling relationships between diameter, height, crown extension can be determined by assuming that each tree maximizes its metabolic rate for a given mass, and that the entire forest fully utilizes all available resources. The transportation network describing human mobility is defined as a weighted network where the nodes are the locations (e.g. municipalities or counties) and a link of weight w between two nodes indicates a commuting flux of w people between the two locations. Again, we found that one is able to reproduce the observed mobility patterns with remarkable accuracy assuming that each individual choses her/his destination trying to balance between the attractiveness versus the distance of the locations (i.e. choosing the closest location with higher attractiveness). Scaling plays a major role in our analysis. In both systems we were able to identify scaling relationships between the important variables, and thanks to finite-size scaling we succeeded in linking together seemingly unrelated quantities. This provided new insights and helped in discovering universal relationships.

Il principale obiettivo di questo lavoro è lo studio delle relazioni tra le reti di trasporto e la struttura delle comunità ecologiche in cui il trasporto ha luogo. Il trasporto è un'esigenza comune in molti dei sistemi naturali costituiti da individui che interagiscono tra loro attraverso la competizione per le stesse risorse o tramite meccanismi di cooperazione. Nei casi che abbiamo trattato abbiamo riscontrato che le caratteristiche del sistema di trasporto sono strettamente legate alla struttura della comunità. Per esempio, abbiamo mostrato come nelle foreste tropicali l'ottimizzazione del trasporto dell'acqua e delle sostanze nutritive alle foglie impone dei rigidi vincoli alla distribuzione delle dimensioni degli alberi. Inoltre, nel contesto della "mobilità umana" abbiamo dimostrato che i flussi dei pendolari all'interno di uno stato sono determinati dalla distribuzione spaziale della popolazione. In particolare abbiamo scoperto che sia nelle foreste tropicali che negli insediamenti umani l'adattamento e l'evoluzione della rete di trasporto sono determinati da semplici principi di ottimizzazione dell'efficienza, caratteristici del particolare sistema. Nelle foreste la rete di trasporto è costituita dagli alberi, il cui numero, dimensioni e forma determinano l'efficienza nel trasporto dell'acqua. Il legame tra le dimensioni e la numerosità degli alberi e le relazioni di scala tra diametro, altezza, raggio della chioma, possono essere determinate assumendo che ogni albero massimizza il metabolismo a parità di massa, e che l'intera foresta utilizza tutte le risorse disponibili. D'altro canto, la rete di trasporto con cui si descrive la mobilità umana è un grafo pesato, in cui i nodi sono i luoghi (le municipalità o le contee) e un legame con peso w tra due nodi indica un flusso di w persone tra i due luoghi. Ancora una volta abbiamo trovato che è possibile riprodurre con sorprendente precisione i flussi osservati assumendo che ogni individuo scelga la sua destinazione cercando di bilanciare l'attrattività con la distanza dal luogo in cui si trova (scegliendo cioè la più vicina località che abbia una attrattiva maggiore del luogo in cui si trova). Lo scaling ha un ruolo fondamentale nella nostra analisi. In entrambi i contesti siamo stati in grado di identificare le relazioni di scala tra le principali variabili e, grazie alle tecniche delle leggi di scala finite, siamo riusciti a trovare un legame tra quantità apparentemente indipendenti. Questo ci ha portato a una comprensione più profonda dei sistemi analizzati e ci ha permesso di scoprire l'esistenza di relazioni di universalità.