Due to human population growth and migration, there will be nearly 2 billion new urban residents by 2030, yet the consequences of both current and future urbanization for biodiversity conservation are poorly known. Here we show that urban growth will have impacts on ecoregions, rare species, and protected areas that are localized but cumulatively significant. Currently, 29 of the world’s 825 ecoregions have over one-third of their area urbanized, and these 29 ecoregions are the only home of 213 endemic terrestrial vertebrate species. Our analyses suggest that 8% of terrestrial vertebrate species on the IUCN Red List are imperiled largely because of urban development. By 2030, 15 additional ecoregions are expected to lose more than 5% of their remaining undeveloped area, and they contain 118 vertebrate species found nowhere else. Of the 779 rare species with only one known population globally, 24 are expected to be impacted by urban growth. In addition, the distance between protected areas and cities is predicted to shrink dramatically in some regions: for example, the median distance from a protected area to a city in Eastern Asia is predicted to fall from 43 km to 23 km by 2030. Most protected areas likely to be impacted by new urban growth (88%) are in countries of low to moderate income, potentially limiting institutional capacity to adapt to new anthropogenic stresses on protected areas. In short, trends in global ecoregions, rare species, and protected areas suggest localized but significant biodiversity degradation associated with current and upcoming urbanization.

We show that if individual predators restrict the area of their search following an encounter with prey, then this behavior translates into populations of predators flowing toward regions of high prey density. This result requires only that predators move at a constant speed but change their direction of movement more often when their stomachs are full and that increases in prey density increase the feeding rate and stomach fullness of predators. The partial differential equation that is derived by assuming such behavior includes terms representing both random motion and taxis on the part of the predator. The form and magnitude of these terms can be estimated by quantifying how prey density influences the frequency of directional changes in a foraging predator and by obtaining functional-response curves for predators that have been starved for different lengths of time. In general, the strength of a predator's taxis or aggregation response depends on its average velocity of search and on the sensitivity of its turning frequency to changes in prey density, both of which are easily measured. Thus, we show how short-term observations of individual predators can lead to a complete macroscopic description of predator-prey interactions in a spatially distributed environment. We demonstrate the use of our model by applying it to the spatial dynamics of an interaction between goldenrod aphids (Uroleucon nigrotuberculatum) and adult ladybug beetles (Coccinella septempunctata). Although in this specific case the model is limited to predictions on the order of weeks, we show how it might be used to evaluate the effectiveness of different predators as biological control agents. Our particular mechanistic model indicates that the consequences of aggregation for prey control depend on the rates of taxis relative to the rates of prey population growth; only sometimes is predator aggregation sufficient to halt an incipient prey outbreak.

The central challenge of the 21st century is to develop economic, social, and governance systems capable of ending poverty and achieving sustainable levels of population and consumption while securing the life-support systems underpinning current and future human well-being. Essential to meeting this challenge is the incorporation of natural capital and the ecosystem services it provides into decision-making. We explore progress and crucial gaps at this frontier, reflecting upon the 10 y since the Millennium Ecosystem Assessment. We focus on three key dimensions of progress and ongoing challenges: raising awareness of the interdependence of ecosystems and human well-being, advancing the fundamental interdisciplinary science of ecosystem services, and implementing this science in decisions to restore natural capital and use it sustainably. Awareness of human dependence on nature is at an all-time high, the science of ecosystem services is rapidly advancing, and talk of natural capital is now common from governments to corporate boardrooms. However, successful implementation is still in early stages. We explore why ecosystem service information has yet to fundamentally change decision-making and suggest a path forward that emphasizes: ( i ) developing solid evidence linking decisions to impacts on natural capital and ecosystem services, and then to human well-being; ( ii ) working closely with leaders in government, business, and civil society to develop the knowledge, tools, and practices necessary to integrate natural capital and ecosystem services into everyday decision-making; and ( iii ) reforming institutions to change policy and practices to better align private short-term goals with societal long-term goals.

Population dynamics and species interactions are spread out in space. This might seem like a trivial observation, but it has potentially important consequences. In particular, mathematical models show that the dynamics of populations can be altered fundamentally simply because organisms interact and disperse rather than being confined to one position for their entire lives. Models that deal with dispersal and spatially distributed populations are extraordinarily varied, partly because they employ three distinct characterizations of space: as 'islands’ (or ‘metapopulations’), as ‘stepping-stones’, or as a continuum. Moreover, there are several different ways of representing dispersal in spatially structured environments, as well as several possibilities for allowing environmental variation to come into play. In spite of this variety, a few common themes emerge from spatial models. First, island and stepping-stone models emphasize that little can be concluded from simply recording patterns of' occupancy, instead a metapopulation’s fate will be determined by the balance between local extinction and recolonization and how that balance interacts with random catastrophes. Island and stepping-stone models also make it clear that the spatial dimension, in particular spatial subdivision, can alter the stability of species interactions and opportunities for coexistence in both predator—prey and competitive systems. Continuum models, which usually take the form of reaction-diffusion equations, address slightly different questions. Reaction-diffusion theory suggests that in uniform environments, certain combinations of local dynamics and dispersal can produce persistent irregularities in the dispersion of species. These striking spatial patterns, which are called diffusive instabilities, can arise from predator—prey interactions, Lotka-Volterra competitive interactions, and from density-dependent population growth in an age-structured population. Moreover, although they differ fundamentally in their structure, the three major classes of spatial models share the common generalization that spatial effects should be expected only for: (i) selected spatial scales; (ii) specific dispersal rates, and (iii) particular patterns of environmental variation relative to the frequency and range of dispersal. The theoretical possibilities are thus contingent on spatial scale and dispersal rates. Although explicit experimental tests of spatial models are non-existent, a handful of studies report general changes in species interactions associated with manipulations of habitat subdivision. Observational studies with adequate data concerning dispersal and scale are also scarce; but those few observational studies with the appropriate supporting information consistently show profound spatial effects, especially effects due to habitat subdivision. The challenge for empiricists is to investigate more rigorously the roles of spatial subdivision and dispersal in natural communities. The challenge for theoreticians is to make the empiricist’s job easier; this can best be done by delineating when spatial effects are most likely to be influential, and by offering guidance on how to design appropriate experiments. Simply saying that the spatial environment is important is to mouth a platitude: what we need to know is whether this presumed importance amounts to much in natural systems.

We examine how an Allee effect in local population dynamics (reduced reproductive success at low densities) influences the spatio-temporal dynamics of ecological invasions. Our approach is to use a partial differential equation model of dispersal and population growth, and then ask whether we can identify "rates of spread" for an invading organism subject to an Allee effect. Results indicate that an Allee effect may substantially reduce the rate at which the invader moves into a new environment. Analysis of spread in two spatial dimensions entails application of a singular perturbation theory approach. Here the two-dimensional spread velocity is given in terms of the one-dimensional asymptotic spread rate and the curvature of a boundary between invaded and non-invaded regions. Using this result, we show that invasions cannot propagate unless they initially exceed a critical area. This prediction is verified by numerically solving the original model. Numerical solutions are used throughout in demonstrating the nature of the two-dimensional spread.

In 1985, Michael Soule asked, “What is conservation biology?” We revisit this question more than 25 years later and offer a revised set of core principles in light of the changed global context for conservation. Most notably, scientists now widely acknowledge that we live in a world dominated by humans, and therefore, the scientific underpinnings of conservation must include a consideration of the role of humans. Today's conservation science incorporates conservation biology into a broader interdisciplinary field that explicitly recognizes the tight coupling of social and natural systems. Emerging priorities include pursuing conservation within working landscapes, rebuilding public support, working with the corporate sector, and paying better attention to human rights and equity. We argue that in conservation, strategies must be promoted that simultaneously maximize the preservation of biodiversity and the improvement of human well-being.

Abstract: We identified 100 scientific questions that, if answered, would have the greatest impact on conservation practice and policy. Representatives from 21 international organizations, regional sections and working groups of the Society for Conservation Biology, and 12 academics, from all continents except Antarctica, compiled 2291 questions of relevance to conservation of biological diversity worldwide. The questions were gathered from 761 individuals through workshops, email requests, and discussions. Voting by email to short‐list questions, followed by a 2‐day workshop, was used to derive the final list of 100 questions. Most of the final questions were derived through a process of modification and combination as the workshop progressed. The questions are divided into 12 sections: ecosystem functions and services, climate change, technological change, protected areas, ecosystem management and restoration, terrestrial ecosystems, marine ecosystems, freshwater ecosystems, species management, organizational systems and processes, societal context and change, and impacts of conservation interventions. We anticipate that these questions will help identify new directions for researchers and assist funders in directing funds.