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Ecological modeling of adaptive evolutionary responses to rapid climate change

Ökologische Modellierung anpassungsfähiger evolutionärer Reaktionen auf schnellen Klimawandel

  • 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 environmentalA 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.show moreshow less
  • 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 mitEine 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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Daniel Romero MujalliORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-430627
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-43062
Referee:Thomas HovestadtORCiDGND, Franz J. WeissingORCiD
Advisor:Ralph Tiedemann, Florian Jeltsch
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of first Publication:2019/07/22
Year of Completion:2019
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2019/06/03
Release Date:2019/07/22
Tag:Evolution; Individuen-basierende Modelle; Klimawandel; Plastizität; lokale Anpassung
climate change; evolution; individual-based model; local adaptation; plasticity
Pagenumber:167
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
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