TY - THES A1 - Romero Mujalli, Daniel T1 - Ecological modeling of adaptive evolutionary responses to rapid climate change T1 - Ökologische Modellierung anpassungsfähiger evolutionärer Reaktionen auf schnellen Klimawandel N2 - A contemporary challenge in Ecology and Evolutionary Biology is to anticipate the fate of populations of organisms in the context of a changing world. Climate change and landscape changes due to anthropic activities have been of major concern in the contemporary history. Organisms facing these threats are expected to respond by local adaptation (i.e., genetic changes or phenotypic plasticity) or by shifting their distributional range (migration). However, there are limits to their responses. For example, isolated populations will have more difficulties in developing adaptive innovations by means of genetic changes than interconnected metapopulations. Similarly, the topography of the environment can limit dispersal opportunities for crawling organisms as compared to those that rely on wind. Thus, populations of species with different life history strategy may differ in their ability to cope with changing environmental conditions. However, depending on the taxon, empirical studies investigating organisms’ responses to environmental change may become too complex, long and expensive; plus, complications arising from dealing with endangered species. In consequence, eco-evolutionary modeling offers an opportunity to overcome these limitations and complement empirical studies, understand the action and limitations of underlying mechanisms, and project into possible future scenarios. In this work I take a modeling approach and investigate the effect and relative importance of evolutionary mechanisms (including phenotypic plasticity) on the ability for local adaptation of populations with different life strategy experiencing climate change scenarios. For this, I performed a review on the state of the art of eco-evolutionary Individual-Based Models (IBMs) and identify gaps for future research. Then, I used the results from the review to develop an eco-evolutionary individual-based modeling tool to study the role of genetic and plastic mechanisms in promoting local adaption of populations of organisms with different life strategies experiencing scenarios of climate change and environmental stochasticity. The environment was simulated through a climate variable (e.g., temperature) defining a phenotypic optimum moving at a given rate of change. The rate of change was changed to simulate different scenarios of climate change (no change, slow, medium, rapid climate change). Several scenarios of stochastic noise color resembling different climatic conditions were explored. Results show that populations of sexual species will rely mainly on standing genetic variation and phenotypic plasticity for local adaptation. Population of species with relatively slow growth rate (e.g., large mammals) – especially those of small size – are the most vulnerable, particularly if their plasticity is limited (i.e., specialist species). In addition, whenever organisms from these populations are capable of adaptive plasticity, they can buffer fitness losses in reddish climatic conditions. Likewise, whenever they can adjust their plastic response (e.g., bed-hedging strategy) they will cope with bluish environmental conditions as well. In contrast, life strategies of high fecundity can rely on non-adaptive plasticity for their local adaptation to novel environmental conditions, unless the rate of change is too rapid. A recommended management measure is to guarantee interconnection of isolated populations into metapopulations, such that the supply of useful genetic variation can be increased, and, at the same time, provide them with movement opportunities to follow their preferred niche, when local adaptation becomes problematic. This is particularly important for bluish and reddish climatic conditions, when the rate of change is slow, or for any climatic condition when the level of stress (rate of change) is relatively high. N2 - Eine aktuelle Herausforderung in der Ökologie und Evolutionsbiologie besteht darin, das Schicksal von Populationen verschiedener Lebewesen im Kontext einer sich verändernden Welt zu antizipieren. Der Klimawandel und die durch anthropologische Aktivitäten verursachten Landschaftsveränderungen sind im Laufe der Geschichte von großer Bedeutung geworden. Von den Organismen, die sich diesen Veränderungen stellen, wird erwartet, dass sie durch lokale Anpassung (d.h. genetische Veränderungen oder phänotypische Plastizität) oder durch Verschiebung ihres Verbreitungsgebietes (Migration) darauf reagieren. Allerdings sind diese Reaktionen begrenzt. So werden beispielsweise isolierte Populationen mehr Schwierigkeiten bei der Entwicklung adaptiver Neuheiten mittels genetischer Variation haben als vernetzte Metapopulationen. Ebenso kann die Topographie der Umgebung die Ausbreitungsmöglichkeiten für zum Beispiel kriechende Organismen im Vergleich zu denen, die auf Wind angewiesen sind, einschränken. So können Populationen von Arten mit unterschiedlichen Lebensstrategien verschiedene Fähigkeiten haben, mit den sich ändernden Umweltbedingungen umzugehen. Empirische Studien, die die Reaktionen von Organismen auf Umweltveränderungen untersuchen, können jedoch, je nach Taxon, zu komplex, langwierig und teuer werden. Ebenso sollten Komplikationen im Umgang mit gefährdeten Arten nicht außer Acht gelassen werden. Die ökoevolutionäre Modellierung bietet jedoch die Möglichkeit, diese Einschränkungen zu überwinden und empirische Studien zu ergänzen, die Wirkung und Grenzen der zugrunde liegenden Mechanismen zu verstehen und mögliche Zukunftsszenarien zu erstellen. In dieser Arbeit untersuche ich mittels einer Modellierungsmethode die Wirkung und relative Bedeutung evolutionärer Mechanismen (einschließlich phänotypischer Plastizität) auf die Fähigkeit zur lokalen Anpassung von Populationen mit unterschiedlichen Lebensstrategien, die Szenarien des Klimawandels durchleben. Dazu habe ich in einem Review den Stand der Technik ökoevolutionärer individuenbasierender Modelle (Individual-Based Models; IBMs) zusammengefasst und Ansätze für eine zukünftige Forschung identifiziert. Die Erkenntnisse des Reviews nutzte ich, um ein ökoevolutionäres, individuelles Modellierungsprogramm zu entwickeln. Dieses analysiert die Rolle genetischer und plastischer Mechanismen zur Förderung der lokalen Anpassung organismischer Populationen mit unterschiedlichen Lebensstrategien, welche Szenarien des Klimawandels und der ökologischen Stochastik erfahren. Die Umweltbedingungen wurden durch eine klimatische Variable (z.B. Temperatur) simuliert, die ein phänotypisches Optimum definiert, das sich mit einer bestimmten Änderungsrate bewegt. Verschiedene Änderungsraten wurden angewandt, um unterschiedliche Szenarien des Klimawandels darzustellen (keine Veränderung, langsamer, mittlerer, schneller Klimawandel). Es wurden mehrere Szenarien stochastischen Farbrauschens untersucht, die verschiedene klimatische Bedingungen widerspiegeln. Die Ergebnisse zeigen, dass Populationen sexueller Arten hauptsächlich auf genetische Variation und phänotypische Plastizität hinsichtlich lokalen Anpassung angewiesen sind. Populationen von Arten mit relativ langsamer Wachstumsrate (z.B. große Säugetiere), und insbesondere die mit kleiner Populationsgröße, sind am anfälligsten, vor allem wenn ihre Plastizität begrenzt ist (d.h. spezialisierte Arten). Wenn Individuen dieser Populationen zu adaptiver Plastizität fähig sind, können sie Fitnessverluste unter „rötlichen“ Klimabedingungen ausgleichen. Zugleich können diese Populationen durch Anpassung der Plastizität auch unter bläulichen Umweltbedingungen zurecht kommen (z.B. Bed-Hedging-Strategie). Im Gegensatz dazu können sich Lebensstrategen mit hoher Reproduktionszahl auf nicht-adaptive Plastizität zur lokalen Anpassung an neue Umweltbedingungen verlassen, es sei denn, die Änderungsrate ist zu schnell. Eine empfohlene Handlungsmaßnahme ist es, die Eingliederung von isolierten Populationen in Metapopulationen zu gewährleisten, so dass die genetische Variation erhöht werden kann. Wenn eine lokale Anpassung problematisch wird, sollte ihnen gleichzeitig Migrationsfreiraum gegeben werden, um ihrer bevorzugten Nische zu folgen. Dies ist besonders wichtig für „bläuliche“ und „rötliche“ Klimabedingungen, bei denen die Änderungsrate langsam ist, oder für jede klimatische Bedingung, wenn die Belastung (Änderungsrate) relativ hoch ist. KW - climate change KW - local adaptation KW - plasticity KW - evolution KW - individual-based model KW - Klimawandel KW - lokale Anpassung KW - Plastizität KW - Evolution KW - Individuen-basierende Modelle Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-430627 ER - TY - THES A1 - Hornick, Thomas T1 - Impact of climate change effects on diversity and function of pelagic heterotrophic bacteria studied in large-scale mesocosm facilities T1 - Studien zum Einfluss des Klimawandels auf die Diversität und Funktion pelagischer heterotropher Bakterien in Mesokosmen N2 - Seit der Industriellen Revolution steigt die Konzentration von Kohlenstoffdioxid (CO2) und anderen Treibhausgasen in der Erdatmosphäre stetig an, wodurch wesentliche Prozesse im Erdsystem beeinflusst werden. Dies wird mit dem Begriff „Klimawandel“ umschrieben. Aquatische Ökosysteme sind sehr stark davon betroffen, da sie als Integral vieler Prozesse in einer Landschaft fungieren. Ziel dieser Doktorarbeit war zu bestimmen, wie verschiedene Auswirkungen des Klimawandels die Gemeinschaftsstruktur und Aktivität von heterotrophen Bakterien in Gewässern verändert, welche eine zentrale Rolle bei biogeochemischen Prozessen einnehmen. Diese Arbeit konzentriert sich auf zwei Aspekte des Klimawandels: (1) Ozeane nehmen einen Großteil des atmosphärischen CO2 auf, welches im Meerwasser das chemische Gleichgewicht des Karbonatsystems verschiebt („Ozeanversauerung“). (2) Durch kontinuierlichen Anstieg der Erdoberflächentemperatur werden Veränderungen im Klimasystem der Erde vorhergesagt, welche u. a. die Häufigkeit und Heftigkeit von episodischen Wetterereignissen (z.B. Stürme) verstärken wird. Insbesondere Sommer-Stürme sind dabei in der Lage die sommerliche Temperaturschichtung der Wassersäule in Seen zu zerstören. Beide Effekte des Klimawandels können weitreichende Auswirkungen auf Wasserchemie/-physik sowie die Verteilung von Organismen haben, was mittels Mesokosmen simuliert wurde. Dabei untersuchten wir den Einfluss der Ozeanversauerung auf heterotrophe bakterielle Prozesse in der Ostsee bei geringen Konzentrationen an gelösten Nährstoffen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Ozeanversauerungseffekte in Kombination mit Nährstofflimitation indirekt das Wachstum von heterotrophen Bakterien durch veränderte trophische Interaktionen beeinflussen können und potentiell zu einer Erhöhung der Autotrophie des Ökosystems führen. In einer weiteren Studie analysierten wir, wie Ozeanversauerung die Umsetzung und Qualität gelösten organischen Materials (DOM) durch heterotrophe Bakterien beeinflussen kann. Die Ergebnisse weisen jedoch darauf hin, dass Änderungen in der DOM-Qualität durch heterotrophe bakterielle Prozesse mit zunehmender Ozeanversauerung unwahrscheinlich sind. Desweiteren wurde der Einfluss eines starken Sommer-Sturmes auf den stratifizierten, oligotroph-mesotrophen Stechlinsee simuliert. Mittels oberflächlicher Durchmischung in Mesokosmen wurde die bestehende Thermokline zerstört und die durchmischte Oberflächenwasserschicht vergrößert. Dies änderte die physikalischen und chemischen Gradienten innerhalb der Wassersäule. Effekte der Einmischung von Tiefenwasser änderten in der Folge die Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaftsstruktur und stimulierten das Wachstum filamentöser Cyanobakterien, die zu einer Cyanobakterien-Blüte führte und so maßgeblich die metabolischen Prozesse von heterotrophen Bakterien bestimmte. Unsere Studie gibt ein mechanistisches Verständnis, wie Sommer-Stürme bakterielle Gemeinschaften und Prozesse für längere Zeit während der sommerlichen Stratifizierung beeinflussen können. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse zeigen Veränderungen bakterieller Gemeinschaften und Prozesse, welche mit dem einhergehenden Klimawandel erwartet werden können. Diese sollten bei Beurteilung klimarelevanter Fragen hinsichtlich eines zukünftigen Gewässer-managements Berücksichtigung finden. N2 - The unprecedented increase in atmospheric concentrations of carbon dioxide (CO2) and other greenhouse gases (GHG) by anthropogenic activities since the Industrial Revolution impacts on various earth system processes, commonly referred to as `climate change´ (CC). CC faces aquatic ecosystems with extreme abiotic perturbations that potentially alter the interrelations between functional autotrophic and heterotrophic plankton groups. These relations, however, modulate biogeochemical cycling and mediate the functioning of aquatic ecosystems as C sources or sinks to the atmosphere. The aim of this thesis was therefore to investigate how different aspects of CC influence community composition and functioning of pelagic heterotrophic bacteria. These organisms constitute a major component of biogeochemical cycling and largely determine the balance between autotrophic and heterotrophic processes. Due to the vast amount of potential CC impacts, this thesis focuses on the following two aspects: (1) Increased exchange of CO2 across the atmosphere-water interface and reaction of CO2 with seawater leads to profound shifts in seawater carbonate chemistry, commonly termed as `ocean acidification´ (OA), with consequences for organism physiology and the availability of dissolved inorganic carbon (DIC) in seawater. (2) The increase in atmospheric GHG concentration impacts on the efficiency with which the Earth cools to space, affecting global surface temperature and climate. With ongoing CC, shifts in frequency and severity of episodic weather events, such as storms, are expected that in particular might affect lake ecosystems by disrupting thermal summer stratification. Both aspects of CC were studied at the ecosystem-level in large-volume mesocosm experiments by using the Kiel Off-shore Mesocosms for Future Ocean Simulations (KOSMOS) deployed at different coastal marine locations, and the LakeLab facility in Lake Stechlin. We evaluated the impact of OA on heterotrophic bacterial metabolism in a brackish coastal ecosystem during low-nutrient summer months in the Baltic Sea. There are several in situ experiments that already assessed potential OA-induced changes in natural plankton communities at diverse spatial and seasonal conditions. However, most studies were performed at high phytoplankton biomass conditions, partly provoked by nutrient amendments. Our study highlights potential OA effects at low-nutrient conditions that are representative for most parts of the ocean and of particular interest in current OA research. The results suggest that during extended periods at low-nutrient concentrations, increasing pCO2 levels indirectly impact the growth balance of heterotrophic bacteria via trophic bacteria-phytoplankton interactions and shift the ecosystem to a more autotrophic system. Further work investigated how OA affects heterotrophic bacterial dissolved organic matter (DOM) transformation in two mesocsom studies, performed at different nutrient conditions. We observed similar succession patterns for individual compound pools during a phytoplankton bloom and subsequent accumulation of these compounds irrespective of the pCO2 treatment. Our results indicate that OA-induced changes in the dynamics of bacterial DOM transformation and potential impacts on DOM quality are unlikely. In addition, there have been no indications that in dependence of nutrient conditions, different amounts of photosynthetic organic matter are channelled into the more recalcitrant DOM pool. This provides novel insights into the general dynamics of the marine DOM pool. A fourth enclosure experiment in oligo-mesotrophic Lake Stechlin assessed the impact of a severe summer storm on lake bacterial communities during thermal stratification by artificially mixing. Mixing disrupted and lowered the thermocline, increasing the upper mixed layer and substantially changed water physical-chemical variables. Deep water entrainment and associated changes in water physical-chemical variables significantly affected relative bacterial abundances for about one week. Afterwards a pronounced cyanobacterial bloom developed in response to mixing which affected community assembly of heterotrophic bacteria. Colonization and mineralization of senescent phytoplankton cells by heterotrophic bacteria largely determined C-sequestration to the sediment. About six weeks after mixing, bacterial communities and measured activity parameters converged to control conditions. As such, summer storms have the potential to affect bacterial communities for a prolonged period during summer stratification. The results highlight effects on community assembly and heterotrophic bacterial metabolism that are associated to entrainment of deep water into the mixed water layer and assess consequences of an episodic disturbance event for the coupling between bacterial metabolism and autochthonous DOM production in large volume clear-water lakes. Altogether, this doctoral thesis reveales substantial sensitivities of heterotrophic bacterial metabolism and community structure in response to OA and a simulated summer storm event, which should be considered when assessing the impact of climate change on marine and lake ecosystems. KW - climate change KW - ocean acidification KW - Ozeanversauerung KW - Klimawandel KW - Gewässerökologie KW - heterotrophic bacteria Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-428936 ER -