TY  - THES
A1  - Schäfer, Merlin
T1  - Understanding and predicting global change impacts on migratory birds
T1  - Verständnis und Vorhersage von Auswirkungen des globalen Wandels auf Zugvögel
N2  - This is a publication-based dissertation comprising three original research stud-ies (one published, one submitted and one ready for submission; status March 2019). The dissertation introduces a generic computer model as a tool to investigate the behaviour and population dynamics of animals in cyclic environments. The model is further employed for analysing how migratory birds respond to various scenarios of altered food supply under global change. Here, ecological and evolutionary time-scales are considered, as well as the biological constraints and trade-offs the individual faces, which ultimately shape response dynamics at the population level. Further, the effect of fine-scale temporal patterns in re-source supply are studied, which is challenging to achieve experimentally. My findings predict population declines, altered behavioural timing and negative carry-over effects arising in migratory birds under global change. They thus stress the need for intensified research on how ecological mechanisms are affected by global change and for effective conservation measures for migratory birds. The open-source modelling software created for this dissertation can now be used for other taxa and related research questions. Overall, this thesis improves our mechanistic understanding of the impacts of global change on migratory birds as one prerequisite to comprehend ongoing global biodiversity loss. The research results are discussed in a broader ecological and scientific context in a concluding synthesis chapter.
N2  - Dies ist eine publikationsbasierte Dissertation, welche aus drei wissenschaftlichen Originalstudien (eine publiziert, eine eingereicht und eine einreichbar; Stand März 2019) besteht. Die Dissertation stellt ein generisches Computermodell bereit, um das Verhalten und die Populationsdynamik von Tieren zu untersuchen, welche saisonale Umweltbedingungen erfahren. Mit diesem Computermodell untersuche ich in der vorliegenden Thesis, wie Zugvögel auf verschiedene Szenarien veränderter Nahrungsverfügbarkeit reagieren, welche im Rahmen des globalen Wandels wahrscheinlich sind. Dabei werden ökologische und evolutionäre Zeitskalen berücksichtigt. Außerdem werden biologisch bedingte Einschränkungen und Zielkonflikte einbezogen, welche das einzelne Individuum erfährt, die aber letztendlich auch das Geschehen auf Populationsebene bestimmen. Weiterhin studiere ich mit dem erstellten Computermodell am Beispiel des Weißstorchs, wie sich feinskalige Zeitmuster in der Nahrungsverfügbarkeit auf Zugvögel auswirken. Solche Studien würden eine enorme experimentelle Herausforderung darstellen. Die im Rahmen dieser Dissertation entstandene frei verfügbare Modellierungs-Software kann nun für andere Taxa und verwandte Forschungsfragen eingesetzt werden. Nach meinen Ergebnissen ist im Zuge des globalen Wandels mit verstärkten Populationsabnahmen bei Zugvögeln zu rechnen, sowie mit Änderungen im zeitlichen Verhaltensablauf und nichtlinearen negativen Carry-over-Effekten. Dies verdeutlicht, wie wichtig es ist, die vom globalen Wandel betroffenen ökologischen Mechanismen näher zu erforschen sowie effektive Schutzmaßnahmen für Zugvögel zu entwickeln. Allgemein erhöht die Dissertation unser mechanistisches Verständnis davon, wie sich der globale Wandel auf bedrohte Zugvogelarten auswirkt und damit die globale Biodiversität beeinflusst. Die Forschungsergebnisse werden in einem abschließenden Synthese-Kapitel zusammenführend diskutiert.
KW  - global change
KW  - migratory birds
KW  - life-history theory
KW  - movement ecology
KW  - bird migration
KW  - optimal annual routine model
KW  - stochastic dynamic programming
KW  - full annual cycle
KW  - population dynamics
KW  - carry-over effects
KW  - white stork
KW  - behavioural ecology
KW  - adaptation
KW  - mechanistic model
KW  - energetics
KW  - behavioural timing
KW  - reproduction
KW  - globaler Wandel
KW  - Zugvögel
KW  - Lebenszyklustheorie
KW  - Bewegungsökologie
KW  - Vogelzug
KW  - "Optimal annual routine"-Modell
KW  - stochastisch-dynamische Optimierung
KW  - vollständiger Jahreszyklus
KW  - Populationsdynamik
KW  - Carry-over-Effekte
KW  - Weißstorch
KW  - Verhaltensökologie
KW  - Anpassung
KW  - mechanistisches Modell
KW  - Energetik
KW  - Verhaltens-Timing
KW  - Reproduktion
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-439256
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Sairam, Nivedita
A1  - Schröter, Kai
A1  - Lüdtke, Stefan
A1  - Merz, Bruno
A1  - Kreibich, Heidi
T1  - Quantifying Flood Vulnerability Reduction via Private Precaution
JF  - Earth future
N2  - Private precaution is an important component in contemporary flood risk management and climate adaptation. However, quantitative knowledge about vulnerability reduction via private precautionary measures is scarce and their effects are hardly considered in loss modeling and risk assessments. However, this is a prerequisite to enable temporally dynamic flood damage and risk modeling, and thus the evaluation of risk management and adaptation strategies. To quantify the average reduction in vulnerability of residential buildings via private precaution empirical vulnerability data (n = 948) is used. Households with and without precautionary measures undertaken before the flood event are classified into treatment and nontreatment groups and matched. Postmatching regression is used to quantify the treatment effect. Additionally, we test state-of-the-art flood loss models regarding their capability to capture this difference in vulnerability. The estimated average treatment effect of implementing private precaution is between 11 and 15 thousand EUR per household, confirming the significant effectiveness of private precautionary measures in reducing flood vulnerability. From all tested flood loss models, the expert Bayesian network-based model BN-FLEMOps and the rule-based loss model FLEMOps perform best in capturing the difference in vulnerability due to private precaution. Thus, the use of such loss models is suggested for flood risk assessments to effectively support evaluations and decision making for adaptable flood risk management.
KW  - flood loss
KW  - average treatment effect
KW  - matching methods
KW  - loss models
KW  - risk analysis
KW  - adaptation
Y1  - 2019
U6  - https://doi.org/10.1029/2018EF000994
SN  - 2328-4277
VL  - 7
IS  - 3
SP  - 235
EP  - 249
PB  - American Geophysical Union
CY  - Washington
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sterzel, Till
T1  - Analyzing global typologies of socio-ecological vulnerability
BT  - the cases of human security in drylands, and rapid coastal urbanization
N2  - On a planetary scale human populations need to adapt to both socio-economic and environmental problems amidst rapid global change. This holds true for coupled human-environment (socio-ecological) systems in rural and urban settings alike. Two examples are drylands and urban coasts. Such socio-ecological systems have a global distribution. Therefore, advancing the knowledge base for identifying socio-ecological adaptation needs with local vulnerability assessments alone is infeasible: The systems cover vast areas, while funding, time, and human resources for local assessments are limited. They are lacking in low an middle-income countries (LICs and MICs) in particular. 
But places in a specific socio-ecological system are not only unique and complex – they also exhibit similarities. A global patchwork of local rural drylands vulnerability assessments of human populations to socio-ecological and environmental problems has already been reduced to a limited number of problem structures, which typically cause vulnerability. However, the question arises whether this is also possible in urban socio-ecological systems. The question also arises whether these typologies provide added value in research beyond global change. Finally, the methodology employed for drylands needs refining and standardizing to increase its uptake in the scientific community. In this dissertation, I set out to fill these three gaps in research.
The geographical focus in my dissertation is on LICs and MICs, which generally have lower capacities to adapt, and greater adaptation needs, regarding rapid global change. Using a spatially explicit indicator-based methodology, I combine geospatial and clustering methods to identify typical configurations of key factors in case studies causing vulnerability to human populations in two specific socio-ecological systems. Then I use statistical and analytical methods to interpret and appraise both the typical configurations and the global typologies they constitute.
First, I improve the indicator-based methodology and then reanalyze typical global problem structures of socio-ecological drylands vulnerability with seven indicator datasets. The reanalysis confirms the key tenets and produces a more realistic and nuanced typology of eight spatially explicit problem structures, or vulnerability profiles: Two new profiles with typically high natural resource endowment emerge, in which overpopulation has led to medium or high soil erosion. Second, I determine whether the new drylands typology and its socio-ecological vulnerability concept advance a thematically linked scientific debate in human security studies: what drives violent conflict in drylands? The typology is a much better predictor for conflict distribution and incidence in drylands than regression models typically used in peace research. Third, I analyze global problem structures typically causing vulnerability in an urban socio-ecological system - the rapidly urbanizing coastal fringe (RUCF) – with eleven indicator datasets. The RUCF also shows a robust typology, and its seven profiles show huge asymmetries in vulnerability and adaptive capacity. The fastest population increase, lowest income, most ineffective governments, most prevalent poverty, and lowest adaptive capacity are all typically stacked in two profiles in LICs. This shows that beyond local case studies tropical cyclones and/or coastal flooding are neither stalling rapid population growth, nor urban expansion, in the RUCF. I propose entry points for scaling up successful vulnerability reduction strategies in coastal cities within the same vulnerability profile.
This dissertation shows that patchworks of local vulnerability assessments can be generalized to structure global socio-ecological vulnerabilities in both rural and urban socio-ecological systems according to typical problems. In terms of climate-related extreme events in the RUCF, conflicting problem structures and means to deal with them are threatening to widen the development gap between LICs and high-income countries unless successful vulnerability reduction measures are comprehensively scaled up. The explanatory power for human security in drylands warrants further applications of the methodology beyond global environmental change research in the future. Thus, analyzing spatially explicit global typologies of socio-ecological vulnerability is a useful complement to local assessments: The typologies provide entry points for where to consider which generic measures to reduce typical problem structures – including the countless places without local assessments. This can save limited time and financial resources for adaptation under rapid global change.
N2  - Menschliche Gesellschaften müssen sich weltweit an sozioökonomische und ökologische Probleme unter rapidem globalen Wandel anpassen. Dies gilt für gekoppelte Mensch-Umwelt-Systeme (sozio-ökologische Systeme) in ländlichen und in städtischen Gebieten. Beispiele sind Trockengebiete oder urban geprägte Küsten. Solche sozio-ökologischen Systeme haben eine globale Ausdehnung. Daher ist es nicht praktikabel, die Wissensbasis zur Ermittlung des sozio-ökologischen Anpassungsbedarfs allein mit lokalen Vulnerabilitätsanalysen voranzutreiben: Die Systeme decken große Gebiete ab, während finanzielle Mittel, Zeit und Personal für lokale Analysen begrenzt sind. In Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen (LICs und MICs) mangelt es daran besonders.
Aber Orte in einem konkreten sozioökologischen System sind nicht nur einzigartig und komplex – sie weisen auch Gemeinsamkeiten auf. Ein globaler Flickenteppich lokaler Vulnerabilitätsanalysen von Gesellschaften gegenüber sozioökonomischen und ökologischen Problemen in Trockengebieten wurde bereits auf eine begrenzte Anzahl von Problemstrukturen reduziert, die typischerweise Verwundbarkeiten verursachen. Es stellt sich jedoch die Frage, ob dies auch in urbanen sozioökologischen Systemen möglich ist. Es stellt sich auch die Frage, ob diese Typologien über die Forschung zum globalen Wandel hinaus einen Mehrwert bieten. Schließlich muss die für Trockengebiete angewandte Methodik verfeinert und standardisiert werden, um ihre Aufnahme in der Wissenschaft zu erhöhen. In dieser Dissertation habe ich versucht, diese drei Forschungslücken zu schließen.
Der geografische Schwerpunkt meiner Dissertation liegt auf LICs und MICs, die im Allgemeinen über geringere Anpassungskapazitäten und einen größeren Anpassungsbedarf gegenüber schnellen globalen Wandels verfügen. Unter Verwendung einer räumlich expliziten, indikatorgestützten Methodik kombiniere ich raumbezogene und Clustering-Methoden, um typische Konfigurationen von Schlüsselfaktoren in Fallstudien zu identifizieren, die Verwundbarkeiten für Gesellschaften in zwei spezifischen sozio-ökologischen Systemen verursachen. Dann benutze ich statistische und analytische Methoden, um sowohl die typischen Konfigurationen als auch die globalen Typologien zu interpretieren und zu bewerten.
Im ersten Teil verbessere ich die indikatorbasierte Methodik und reanalysiere dann typische globale Problemstrukturen sozioökologischer Verwundbarkeit in ländlichen Trockengebieten mit sieben Indikatordatensätzen. Die Reanalyse bestätigt die Kernaussagen und führt zu einer realistischeren und differenzierteren Typologie von acht räumlich expliziten Problemstrukturen bzw. Vulnerabilitätsprofilen: Zwei neue Profile mit typischer hoher natürlicher Ressourcenausstattung treten auf, in denen Überbevölkerung zu mittlerer bis hoher Bodenerosion geführt hat. Im zweiten Teil stelle ich fest, ob die neue Trockengebietstypologie und ihr sozioökologisches Vulnerabilitätskonzept eine thematisch verknüpfte wissenschaftliche Debatte über menschliche Sicherheit vorantreiben können: Was treibt gewalttätige Konflikte in Trockengebieten an? Die Typologie ist ein deutlich besserer Prädiktor für die Verteilung und Inzidenz von Konflikten in Trockengebieten als Regressionsmodelle, die typischerweise in der Friedensforschung verwendet werden. Im dritten Teil analysiere ich mit elf Indikatordatensätzen globale Problemstrukturen, die in einem urbanen sozioökologischen System - der rapide urbanisierenden Küstenzone (RUCF) – typischerweise Verwundbarkeiten verursachen. Die RUCF weist ebenfalls eine robuste Typologie auf und ihre sieben Profile zeigen große Asymmetrien in Bezug auf Vulnerabilität und Anpassungskapazität. Der schnellste Bevölkerungszuwachs, das niedrigste Einkommen, die ineffektivsten Regierungen, die am weitesten verbreitete Armut und die geringste Anpassungskapazität sind typischerweise in zwei Profilen in LICs geballt. Dies zeigt jenseits von lokalen Analysen, dass tropische Wirbelstürme und / oder Überschwemmungen im RUCF weder schnelles Bevölkerungswachstum noch städtische Expansion verhindern. Ich schlage Einstiegspunkte für die Skalierung erfolgreicher Strategien zur Reduzierung von Vulnerabilität in Küstenstädten innerhalb des gleichen Vulnerabilitätsprofils vor.
Diese Dissertation zeigt, dass Flickenteppiche lokaler Vulnerabilitätsanalysen verallgemeinert werden können, um globale sozioökologische Vulnerabilitäten in ländlichen und städtischen sozioökologischen Systemen nach typischen Problemstrukturen zu systematisieren. In Bezug auf klimatische Extremereignisse drohen sich entgegenstehende Problemstrukturen und Mittel, um mit ihnen umzugehen, die Entwicklungslücke zwischen LICs und Ländern mit hohem Einkommen in der RUCF zu vergrößern, wenn erfolgreiche Maßnahmen zur Vulnerabilitätsreduzierung nicht umfassend ausgeweitet werden. Die Erklärungskraft für menschliche Sicherheit in Trockengebieten berechtigt weitere Anwendungen der Methodik über die globale Umweltforschung hinaus. Die Analyse räumlich expliziter globaler Typologien sozio-ökologischer Vulnerabilität ist daher eine sinnvolle Ergänzung zu lokalen Analysen: Die Typologien bieten Einstiegspunkte dafür, welche generischen Maßnahmen wo in Betracht zu ziehen, um typische Problemstrukturen zu reduzieren - einschließlich der unzähligen Orte ohne lokale Analysen. Dies kann begrenzte Zeit und finanzielle Ressourcen für Anpassung unter rapidem globalen Wandel sparen.
KW  - vulnerability
KW  - global environmental change
KW  - patterns
KW  - drylands
KW  - indicator-based analysis
KW  - adaptation
KW  - Socio-ecological system
KW  - cluster analysis
KW  - subnational resolution
KW  - resource scarcity
KW  - environment
KW  - coastal cities
KW  - coastal urbanization
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-428837
ER  - 
TY  - THES
A1  - Paraskevopoulou, Sofia
T1  - Adaptive genetic variation and responses to thermal stress in brachionid rotifers
N2  - The importance of cryptic diversity in rotifers is well understood regarding its ecological consequences, but there remains an in depth comprehension of the underlying molecular mechanisms and forces driving speciation. Temperature has been found several times to affect species spatio-temporal distribution and organisms’ performance, but we lack information on the mechanisms that provide thermal tolerance to rotifers. High cryptic diversity was found recently in the freshwater rotifer “Brachionus calyciflorus”, showing that the complex comprises at least four species: B. calyciflorus sensu stricto (s.s.), B. fernandoi, B. dorcas, and B. elevatus. The temporal succession among species which have been observed in sympatry led to the idea that temperature might play a crucial role in species differentiation.
The central aim of this study was to unravel differences in thermal tolerance between species of the former B. calyciflorus species complex by comparing phenotypic and gene expression responses. More specifically, I used the critical maximum temperature as a proxy for inter-species differences in heat-tolerance; this was modeled as a bi-dimensional phenotypic trait taking into consideration the intention and the duration of heat stress. Significant differences on heat-tolerance between species were detected, with B. calyciflorus s.s. being able to tolerate higher temperatures than B. fernandoi.
Based on evidence of within species neutral genetic variation, I further examined adaptive genetic variability within two different mtDNA lineages of the heat tolerant B. calyciflorus s.s. to identify SNPs and genes under selection that might reflect their adaptive history. These analyses did not reveal adaptive genetic variation related to heat, however, they show putatively adaptive genetic variation which may reflect local adaptation. Functional enrichment of putatively positively selected genes revealed signals of adaptation in genes related to “lipid metabolism”, “xenobiotics biodegradation and metabolism” and “sensory system”, comprising candidate genes which can be utilized in studies on local adaptation. An absence of genetically-based differences in thermal adaptation between the two mtDNA lineages, together with our knowledge that B. calyciflorus s.s. can withstand a broad range of temperatures, led to the idea to further investigate shared transcriptomic responses to long-term exposure to high and low temperatures regimes. With this, I identified candidate genes that are involved in the response to temperature imposed stress. Lastly, I used comparative transcriptomics to examine responses to imposed heat-stress in heat-tolerant and heat-sensitive Brachionus species. I found considerably different patterns of gene expression in the two species. Most striking are patterns of expression regarding the heat shock proteins (hsps) between the two species. In the heat-tolerant, B. calyciflorus s.s., significant up-regulation of hsps at low temperatures was indicative of a stress response at the cooler end of the temperature regimes tested here. In contrast, in the heat-sensitive B. fernandoi, hsps generally exhibited up-regulation of these genes along with rising temperatures. Overall, identification of differences in expression of genes suggests suppression of protein biosynthesis to be a mechanism to increase thermal tolerance. Observed patterns in population growth are correlated with the hsp gene expression differences, indicating that this physiological stress response is indeed related to phenotypic life history performance.
N2  - Obwohl die kryptische Diversität von Rotatorien (Rädertierchen) und die daraus resultierenden ökologischen Konsequenzen inzwischen sehr gut verstanden sind, sind die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen und die Artbildungsprozesse bisher weitgehend unbekannt. Bekannt ist, dass die Temperatur eine bedeutende Rolle in den raum-zeitlichen Verbreitungsmustern der Arten sowie der Leistungsfähigkeit der Organismen, spielt. Es fehlen jedoch konkrete Informationen über die der Thermotoleranz zugrundeliegenden Mechanismen bei Rotatorien. Vor kurzem wurde hohe kryptische Diversität in der unter anderem in Süßwasser vorkommenden Art „Brachionus calyciflorus“ gefunden, so dass diese nun in mindestens vier Arten (B. calyciflorus sensu stricto (s.s.), B. fernandoi, B. dorcas und B. elevatus) unterteilt wurde. Beobachtungen von in Sympatrie vorkommenden Arten haben gezeigt, dass eine zeitliche Suksession innerhalb dieser Arten existiert, was vermuten lässt, dass Temperatur eine entscheidende Rolle bei der Artbildung gespielt haben könnte.
Ziel dieser Arbeit ist es, Thermotoleranzunterschiede zwischen Arten des früheren B. calyciflorus-Artenkomplexes durch den Vergleich von phänotypischen und molekularen (Genexpression) Reaktionen auf Temperatur festzustellen. Die in dieser Untersuchung ermittelte kritische Maximaltemperatur wurde als Schätzer für zwischenartliche Hitzetoleranz verwendet. Mit Hilfe eines zweidimensionalen Verfahrens, welches sowohl die Dauer als auch die Stärke des Hitzestresses detektiert, konnte festgestellt werden, dass B. calyciflorus s.s. im Vergleich zu B. fernandoi hitzetoleranter ist.
Auf Basis der innerartlichen genetischen Variation erfolgte eine tiefergehende Untersuchung zweier unterschiedlicher maternaler (mtDNA) Evolutionslinien der hitzetoleranteren Art B. calyciflorus s.s mit dem Ziel, unter divergenter Selektion stehende SNPs und Gene zu identifizieren, welche die Anpassung an verschiedene Temperaturen widerspiegeln könnten. Mit Hilfe dieses Experimentes war es möglich, potentiell positiv selektiere Kandidatengene zu identifizieren, welche im Zusammenhang mit dem „Lipidmetabolismus“, dem „Metabolismus und Abbau von Xenobiotika“ sowie dem „Sensorischen System“ stehen. Diese Kandidatengene lassen Rückschlüsse auf lokale Anpassungen zu.
Es konnten keine genetischen Unterschiede gefunden werden, die im Zusammenhang mit der Temperaturanpassung der beiden untersuchten Evolutionslinien stehen. Um molekulare Grundlagen für die Toleranz von B. calyciflorus s.s für einen großen Temperaturbereich zu identifizieren, wurde das Transkriptom untersucht. Mit Hilfe der erhobenen Daten konnten Kandidatengene identifiziert werden, die für die Temperaturtoleranz von Bedeutung sind.
Der letzte Teil dieser Arbeit konzentrierte sich auf die Untersuchung der Hitzestressantwort in einer hitzetoleranten und einer hitzesensitiven Brachionus Art. Diese Untersuchung konnte erhebliche Unterschiede in den Genexpre-ssionsmustern der beiden Arten aufzeigen. Die deutlichsten Unterschiede der Genexpression wurden hierbei in der Expression von Genen detektiert, die für die sogenannten Hitze-Schock-Proteinen (Heat-shock-proteins: hsp) codieren. In der hitzetoleranten Art B. calyciflorus s.s wurde ein signifikanter Anstieg der hsp-Genexpression bei geringen Temperaturen festgestellt, während bei der hitzesensitiven Art B. fernandoi ein signifikanter Anstieg bei hohen Temperaturen detektiert wurde.
Die in dieser Arbeit gefundenen Unterschiede in der Genexpression zeigen, dass Temperaturstress eine Hemmung der Proteinbiosynthese bewirken kann, was zu einer erhöhten Thermotoleranz führt. Darüber hinaus ist Populationswachstum mit der Expression von Hitze-Schock-Proteingenen korreliert. Dies deutet darauf hin, dass die hier beschriebene physiologische Temperaturstressantwort tatsächlich mit den beobachteten phänotypischen Fitnessparametern im Zusammenhang steht.
KW  - Brachionus
KW  - zooplankton
KW  - temperature
KW  - RNA-seq
KW  - transcriptome
KW  - adaptation
Y1  - 2019
ER  -