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• network analysis
• perturbazione
• network spaziali
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• Posidonia oceanica
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Negli ultimi anni si è sviluppato in ecologia un nuovo ambito di ricerca basato sulla teoria delle reti (network). Un network è definito come un insieme di elementi (nodi) connessi tra di loro tramite collegamenti (link). I network in ecologia sono sempre più utilizzati per rappresentare la struttura spaziale di paesaggi e sistemi naturali. In un network spaziale i nodi rappresentano aree discrete di habitat variamente collegate tramite flussi di organismi e/o risorse. Poiché la stabilità di un network è strettamente legata alle sue caratteristiche strutturali (o topologiche), molti studi si sono concentrati nell’individuare quali proprietà sono vantaggiose in presenza di un disturbo. Una delle caratteristiche topologiche più studiate è la modularità, che descrive la tendenza dei nodi a formare gruppi (moduli). Network con alta modularità hanno connessioni dense tra i nodi all'interno dello stesso modulo, ma poche connessioni tra nodi di diversi moduli. Molteplici studi teorici e modellistici hanno evidenziato come le reti con una struttura modulare possano limitare maggiormente la diffusione delle perturbazioni rispetto ad un network random, in cui i nodi sono collegati in modo casuale. Attualmente, l'idea che la modularità tamponi le perturbazioni limitandone la propagazione attraverso la rete è stata verificata sperimentalmente solo in condizioni controllate di laboratorio.
Scopo della tesi è, pertanto, quello di testare l’ipotesi secondo cui i network modulari sono più efficienti dei network random nel limitare la diffusione di una perturbazione locale. A tal fine, a Giugno 2020, è stato allestito un esperimento manipolativo nella località di Antignano (Livorno). All’interno di una prateria di Posidonia oceanica (L.) Delile sono stati creati sei network ciascuno composto da 10 nodi (aree di 50 x 50 cm) connessi da 14 link (80 x 20 cm). La metà dei network era caratterizzata da una struttura modulare, mentre i restanti da una struttura random. In tutti i network è stato simulato un disturbo locale sfoltendo completamente le foglie di P. oceanica in tre nodi. Gli altri nodi al contrario non sono stati manipolati e presentavano una copertura omogenea di P. oceanica. Nei network modulari i nodi perturbati appartenevano allo stesso modulo, mentre nei network random i nodi sono stati scelti casualmente. Lo scopo del trattamento era favorire la colonizzazione dei nodi perturbati da parte del feltro algale, tramite propaguli dalla colonna d’acqua. I nodi perturbati sono stati lasciati colonizzare per sei mesi, dopodiché sono stati creati i link per consentire al feltro di diffondersi tra i nodi. I link sono stati creati sfoltendo le foglie del 75% per permettere la propagazione vegetativa del feltro a partire dai nodi perturbati, e al contempo limitarne la colonizzazione dalla colonna d’acqua. Il feltro rappresenta quindi una perturbazione locale che a partire dai nodi perturbati, dove si è insediato, si diffonde agli altri nodi attraverso i link.
Ad agosto 2021 è stato effettuato il campionamento fotografico, per valutare il grado di colonizzazione del feltro all’interno dei nodi. In particolare, sono state testate due ipotesi: 1) che i network modulari fossero in grado di limitare maggiormente il diffondersi dei feltri nei nodi non manipolati rispetto ai network random e 2) che l’effetto del disturbo diminuisse con la distanza dai nodi perturbati, in modo più marcato nei network modulari rispetto ai network random. L’analisi dei dati ottenuti ha indicato che i network modulari sono stati più efficienti nel limitare la propagazione del feltro rispetto ai network random. Per quanto riguarda la relazione tra l’abbondanza del feltro e la distanza si osserva una diminuzione in entrambe le tipologie di network. In generale, i risultati di questo esperimento supportano la teoria esistente riguardo la modularità, estendendone la validità ad un sistema naturale complesso ed eterogeneo. La teoria dei network può pertanto essere presa in considerazione come un valido strumento per la gestione e conservazione degli ecosistemi naturali.

In recent years, a new field of research has developed in ecology based on network theory. A network is defined as a set of elements (nodes) connected to each other through links. Networks in ecology are increasingly used to represent the spatial structure of landscapes and natural systems. One of the most studied topological features of networks is modularity, which describes the tendency of nodes to form groups (modules), with links more likely connecting nodes within the same group than nodes of different groups. Theoretical models showed that a modular organization makes the system more resilient to local perturbations than random networks, in which nodes are randomly connected.
This thesis aims to test the hypothesis that modular networks are more efficient than random networks in limiting the spread of a local perturbation. To this end, in June 2020, a manipulative experiment was set up at Antignano (Livorno). Within a Posidonia oceanica (L.) Delile meadow, six networks were created, each composed of 10 nodes (50 x 50 cm areas) and 14 links (80 x 20 cm). Half of the networks had a modular structure, while the rest had a random structure. In all networks, a local disturbance was simulated by completely thinning the leaves of P. oceanica in three nodes. The other nodes were not manipulated and had a homogeneous coverage of P. oceanica. In modular networks, the manipulated nodes belonged to the same module, whereas nodes were chosen randomly in random networks. The treatment aimed to promote colonization of the perturbed nodes by the algal turf, via propagules from the water column. Manipulated nodes were allowed to colonize for six months, after which links were created to allow algal turf to spread within nodes. Links were created by thinning the leaves by 75% to allow vegetative propagation of algal turf from the perturbed nodes while limiting its colonization from the water column. Algal turf thus represents a local disturbance that from the disturbed nodes, where it has settled, spreads to other nodes through links.
In August 2021, photographic sampling was conducted to assess the degree of algal turf colonization within nodes. Specifically, two hypotheses were tested: 1) that modular networks were more efficient in limiting the spread of algal turf in unmanipulated nodes than random networks, and 2) that the effect of disturbance decreased with the distance (i.e., number of links) from the perturbed nodes and this effect should be more important in modular networks. Data analyses indicated that modular networks were more efficient in limiting algal turf propagation than random networks. Regarding the relationship between algal turf abundance and distance, a comparable decrease was observed in both types of networks. In general, the results of this experiment support the existing theory regarding modularity, extending its validity to a complex and heterogeneous natural system. Therefore, network theory can be considered a valuable tool for the management and conservation of natural ecosystems.