Laurie Anne Myriam Wojcik

• Human activities modify nature worldwide via changes in the environment, biodiversity and the functioning of ecosystems, which in turn disrupt ecosystem services and feed back negatively on humans. A pressing challenge is thus to limit our impact on nature, and this requires detailed understanding of the interconnections between the environment, biodiversity and ecosystem functioning. These three components of ecosystems each include multiple dimensions, which interact with each other in different ways, but we lack a comprehensive picture of their interconnections and underlying mechanisms. Notably, diversity is often viewed as a single facet, namely species diversity, while many more facets exist at different levels of biological organisation (e.g. genetic, phenotypic, functional, multitrophic diversity), and multiple diversity facets together constitute the raw material for adaptation to environmental changes and shape ecosystem functioning. Consequently, investigating the multidimensionality of ecosystems, and in particular theHuman activities modify nature worldwide via changes in the environment, biodiversity and the functioning of ecosystems, which in turn disrupt ecosystem services and feed back negatively on humans. A pressing challenge is thus to limit our impact on nature, and this requires detailed understanding of the interconnections between the environment, biodiversity and ecosystem functioning. These three components of ecosystems each include multiple dimensions, which interact with each other in different ways, but we lack a comprehensive picture of their interconnections and underlying mechanisms. Notably, diversity is often viewed as a single facet, namely species diversity, while many more facets exist at different levels of biological organisation (e.g. genetic, phenotypic, functional, multitrophic diversity), and multiple diversity facets together constitute the raw material for adaptation to environmental changes and shape ecosystem functioning. Consequently, investigating the multidimensionality of ecosystems, and in particular the links between multifaceted diversity, environmental changes and ecosystem functions, is crucial for ecological research, management and conservation. This thesis aims to explore several aspects of this question theoretically. I investigate three broad topics in this thesis. First, I focus on how food webs with varying levels of functional diversity across three trophic levels buffer environmental changes, such as a sudden addition of nutrients or long-term changes (e.g. warming or eutrophication). I observed that functional diversity generally enhanced ecological stability (i.e. the buffering capacity of the food web) by increasing trophic coupling. More precisely, two aspects of ecological stability (resistance and resilience) increased even though a third aspect (the inverse of the time required for the system to reach its post-perturbation state) decreased with increasing functional diversity. Second, I explore how several diversity facets served as a raw material for different sources of adaptation and how these sources affected multiple ecosystem functions across two trophic levels. Considering several sources of adaptation enabled the interplay between ecological and evolutionary processes, which affected trophic coupling and thereby ecosystem functioning. Third, I reflect further on the multifaceted nature of diversity by developing an index K able to quantify the facet of functional diversity, which is itself multifaceted. K can provide a comprehensive picture of functional diversity and is a rather good predictor of ecosystem functioning. Finally I synthesise the interdependent mechanisms (complementarity and selection effects, trophic coupling and adaptation) underlying the relationships between multifaceted diversity, ecosystem functioning and the environment, and discuss the generalisation of my findings across ecosystems and further perspectives towards elaborating an operational biodiversity-ecosystem functioning framework for research and conservation.…
• Menschliche Aktivität verändert die Natur weltweit durch Einflussnahme auf die Umwelt, Biodiversität und Funktionsweise von Ökosystemen, die wiederum Ökosystemdienstleistungen stören und sich negativ auf den Menschen auswirken. Eine dringende Herausforderung besteht daher darin, unsere Wirkung auf die Natur zu begrenzen, was ein tiefgreifendes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Umwelt, Biodiversität und dem Funktionalität von Ökosystemen voraussetzt. Diese drei Komponenten von Ökosystemen umfassen jedoch jeweils mehrere Dimensionen, die auf unterschiedliche Weise interagieren, und bisher haben wir kein umfassendes Bild von ihren Zusammenhängen und den zugrundeliegenden Mechanismen. Vor allem Diversität wird oft als eine einzige Facette betrachtet, nämlich als Artendiversität, während es auf verschiedenen biologischen Organisationsebenen viele weitere Facetten gibt, z. B. genetische, phänotypische, funktionelle, multitrophische Diversität, die zusammen mehrere Quellen für Rohmaterial zur die Anpassung an Umweltveränderungen bildenMenschliche Aktivität verändert die Natur weltweit durch Einflussnahme auf die Umwelt, Biodiversität und Funktionsweise von Ökosystemen, die wiederum Ökosystemdienstleistungen stören und sich negativ auf den Menschen auswirken. Eine dringende Herausforderung besteht daher darin, unsere Wirkung auf die Natur zu begrenzen, was ein tiefgreifendes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Umwelt, Biodiversität und dem Funktionalität von Ökosystemen voraussetzt. Diese drei Komponenten von Ökosystemen umfassen jedoch jeweils mehrere Dimensionen, die auf unterschiedliche Weise interagieren, und bisher haben wir kein umfassendes Bild von ihren Zusammenhängen und den zugrundeliegenden Mechanismen. Vor allem Diversität wird oft als eine einzige Facette betrachtet, nämlich als Artendiversität, während es auf verschiedenen biologischen Organisationsebenen viele weitere Facetten gibt, z. B. genetische, phänotypische, funktionelle, multitrophische Diversität, die zusammen mehrere Quellen für Rohmaterial zur die Anpassung an Umweltveränderungen bilden und die Funktionsweise von Ökosystemen beeinflussen. Folglich ist die Untersuchung der Multidimensionalität von Ökosystemen, insbesondere der Zusammenhänge zwischen multifacettierter Diversität, Umweltveränderungen und Ökosystemfunktionen, von entscheidender Bedeutung für Forschung, Management und Naturschutz. In dieser Arbeit sollen mehrere Aspekte dieser Frage theoretisch untersucht werden. In dieser Arbeit untersuche ich drei große Themenbereiche. Erstens konzentriere ich mich auf die Frage, wie Nahrungsnetze mit unterschiedlichem Grad funktioneller Diversität auf drei trophischen Ebenen Umweltveränderungen abpuffern, wie etwa eine plötzliche Zugabe von Nährstoffen oder langfristige Veränderungen (z. B. Erwärmung oder Eutrophierung). Hier habe ich festgestellt, dass die funktionelle Diversität die ökologische Stabilität (d. h. die Pufferkapazität des Nahrungsnetzes) durch eine stärkere trophische Kopplung allgemein erhöht. Im Speziellen nahmen zwei Aspekte der ökologischen Stabilität (Resistenz und Resilienz) zu, obwohl ein dritter Aspekt, der Kehrwert der Zeit, die das System benötigt, um den Post-Störungszustand zu erreichen, mit zunehmender funktioneller Diversität abnahm. Zweitens untersuche ich, wie mehrere Facetten der Diversität als Basis für mehrere Anpassungsprozesse aus verschiedenen Quellen dienten und wie diese Quellen mehrere Ökosystemfunktionen auf zwei trophischen Ebenen beeinflussten. Die Berücksichtigung mehrerer Anpassungsquellen ermöglichte das Zusammenspiel zwischen ökologischen und evolutionären Prozessen, die sich auf die trophische Kopplung und damit auf die Funktionalität des Ökosystems auswirkten. Drittens reflektiere ich weiter über die Facetten der Diversität, indem ich einen Index K entwickle, der die Facette der funktionalen Diversität quantifizieren kann, welche wiederum selbst vielschichtig ist. K kann ein umfassendes Bild der funktionellen Diversität vermitteln und ist ein recht guter Prädiktor für das Funktionieren von Ökosystemen. Schließlich fasse ich die voneinander abhängigen Mechanismen (Komplementarität und Selektionseffekte, trophische Kopplung und Anpassung) zusammen, die den Beziehungen zwischen multi-facettierter Diversität, dem Funktionieren von Ökosystemen und der Umwelt zugrunde liegen, und erörtere die Möglichkeiten zur Verallgemeinerung meiner Ergebnisse über Ökosysteme hinweg sowie Perspektiven für die Ausarbeitung eines operativen Rahmens für der Biodiversität-Ökosystem- Funktionalität für Forscher und Anwender.…