Mapping the biodiversity of today to protect it for the future - The influence of the environment on biodiversity, and its use in conservation -

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URI: http://hdl.handle.net/10900/111946
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:21-dspace-1119465
http://dx.doi.org/10.15496/publikation-53322
Dokumentart: PhDThesis
Date: 2021-10-01
Language: English
Faculty: 7 Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Department: Biologie
Advisor: Thomassen, Henri (PD Dr.)
Day of Oral Examination: 2020-12-18
DDC Classifikation: 500 - Natural sciences and mathematics
570 - Life sciences; biology
590 - Animals (Zoology)
Keywords: Biodiversität
Other Keywords: Landschaftsgenomik
Biodiversitätsforschung
Landscape genomics
Biodiversity
License: http://tobias-lib.uni-tuebingen.de/doku/lic_mit_pod.php?la=de http://tobias-lib.uni-tuebingen.de/doku/lic_mit_pod.php?la=en
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Inhaltszusammenfassung:

Biodiversität umfasst Leben in allen Formen und Funktionen. Ihre Komplexität ist auf einen Blick schwer zu erfassen und um dies zu unterstützen, wird die biologische Vielfalt üblicherweise in drei große Kategorien unterteilt: Ökosysteme, Arten und Gene. Obwohl sie die Welt in der wir leben definiert und grundlegende Ökosystemleistungen erbringt, bedrohen menschliche Aktivitäten zunehmend die biologische Vielfalt auf allen Ebenen. Eine Intensivierung der Bemühungen um ihren Schutz ist daher dringend erforderlich. Solche Bemühungen werden oft durch mangelndes Wissen über die Verteilung der Biodiversität behindert. Die Kartierung der biologischen Vielfalt auf allen Organisationsebenen, ist daher ein wesentlicher Schritt, um bessere und erfolgreichere Entscheidungen zum Naturschutz treffen zu können. Die Umwelt ist einer der Schlüsselfaktoren die bestimmt, wo die biologische Vielfalt am reichsten ist, wie sie verteilt ist oder sogar wie gut sich die biologische Vielfalt von Veränderungen und Bedrohungen erholen kann. Da Umweltdaten inzwischen in großem Ausmaß zur Verfügung stehen, kann das Wissen darüber, wie die Umwelt mit dem Vorkommen der biologischen Vielfalt zusammenhängt, die Erstellung kontinuierlicher Karten ihrer Verteilung erheblich erleichtern. Da menschliche Aktivitäten zudem die Umweltbedingungen stark verändern, spielt die Entflechtung ihrer individuellen Auswirkungen auf die räumlichen Muster der Biodiversität eine zentrale Rolle in der Evolutionsbiologie, Ökologie und Naturschutz. Innerhalb einer sich verändernden Umwelt können Lebensräume unbewohnbar werden, und Arten können darauf mit einer Verschiebung ihrer Verbreitungsgebiete reagieren. Der gegenwärtige Grad der Habitatfragmentierung schränkt jedoch die Reichweite solcher „Verschiebungen“ stark ein. Daher müssen die Arten anpassungsfähig sein, um auf den veränderten oder neuen Selektionsdruck reagieren und langfristig überleben zu können. Solche raschen evolutionären Reaktionen basieren auf vorhandener genetischer Variation, die eine Anpassung an die Umwelt ermöglicht. Es ist daher unerlässlich, die räumliche Verteilung der adaptiven genetischen Variation zu kartieren, um das evolutionäre Potenzial der Arten zu maximieren. Auf diese Weise können Wissenschaftler verstehen, wie sich Veränderungen in der Umwelt auf die biologische Vielfalt auswirken können und schließlich zu angemesseneren Erhaltungsmaßnahmen und besseren Managementpraktiken greifen. In dieser Arbeit zielte ich darauf ab, (1) den relativen Einfluss der Umwelt auf verschiedene ökologische und evolutionäre Prozesse abzuschätzen, die ihrerseits die räumlichen Muster der Biodiversität beeinflussen, und (2) zu bewerten, wie dieses Verständnis für die Kartierung und letztlich für den Schutz der Biodiversität genutzt werden kann. Ich habe mich mit verschiedenen Komponenten der Biodiversität, wie Lebensräume, Arten und Gene auseinandergesetzt. Um mehrere Kategorien der Biodiversität abzudecken, untersuchte ich (i) die Verbreitungsmuster zweier eng verwandter Hummelarten (die dunkle Erdhummel (Bombus terrestris) und die helle Erdhummel (Bombus lucorum)) und wie diese Muster durch die Umwelt bestimmt werden; (ii) die Verwendung der Heterogenität der Umwelt als Stellvertreter für die Verteilung der Arten und umgekehrt; (iii) die Rolle der Umwelt bei der Gestaltung der Populationsdivergenz beim Haussperling (Passer domesticus); und (iv) Signale für lokale Anpassungen bei der dunklen Erdhummel (Bombus terrestris). Diese Arbeiten wurden in zwei osteuropäischen Ländern, Rumänien und Bulgarien, durchgeführt. Diese Länder umfassen eine sehr heterogene Umwelt, die ein geeignetes Gebiet für die Bewertung der Auswirkungen der Umwelt auf die Verteilung der Biodiversität (Arten und Gene) darstellt. Teile meiner Arbeit führten zu spezifischen Empfehlungen für die Erhaltung. Diese kommen genau zum richtigen Zeitpunkt, da die Europäische Union neue Ziele für die biologische Vielfalt bis 2030 festgelegt und die Mitgliedstaaten aufgefordert hat, ihr Netz von Schutzgebieten auf 30 % der Gesamtfläche zu erweitern. Meine Ergebnisse zeigen, dass: (i) sowohl Vegetations- als auch Klimavariablen bei der Bestimmung der Verteilung der beiden Hummelarten eine Rolle spielen, insbesondere die Vegetationsbedeckung und die höhenkorrelierten Klimavariablen; (ii) die Heterogenität der Umwelt nicht als ausreichender Stellvertreter für Artenvielfalt (auf der Grundlage von Vogelartdaten) dient, sondern umgekehrt. Das bestätigt die Empfehlung, bei der Festlegung von Prioritäten für Schutzgebiete, mehr als eine Art als Stellvertreter für Biodiversität im Allgemeinen zu verwenden; (iii) und (iv) es Hinweise auf eine Selektion durch die Umwelt (genannt: „Isolation by distance“) gibt, die die Populationsstruktur sowohl bei Hummeln als auch bei Spatzen bestimmen. Ich habe auch eine Reihe von Genen identifiziert, die an die lokalen Bedingungen bei Hummeln angepasst sein könnten. Diese Arbeit zeigt, dass die Umwelt weitgehend bestimmt, wie die biologische Vielfalt verteilt ist und dennoch ein schlechter Ersatz für die Prioritätensetzung bei Schutzgebieten ist. Sie liefert auch überzeugende Beweise dafür, dass die Umwelt eine der Haupttriebkräfte ist, die die genetische Struktur der Arten prägt. Diese Erkenntnisse sollten Wissenschaftler dazu ermutigen, die Kartierung der räumlichen Muster der Biodiversität fortzusetzen und sich insbesondere auf die genetische Ebene der Biodiversität zu konzentrieren. Das Verständnis der Triebkräfte und die Muster der anpassungsfähigen genetischen Variation in Populationen ermöglicht Einblicke in evolutionäre Prozesse und hilft sicherzustellen, dass das evolutionäre Potenzial der Arten maximiert werden kann. Das verstehen der genetischen Muster die Populationen zu Anpassung an die Umwelt benötigen, ermöglicht Einblicke in evolutionäre Prozesse. Mit diesem Verständnis, und dem Wissen über potenzielle Triebkräfte kann das evolutionäre Potenzial von Arten maximiert werden.

Abstract:

Biodiversity comprises life in all forms and functions. Its complexity is difficult to grasp in one glance, and to aid in this, biodiversity is commonly divided into three broad categories: ecosystems, species, and genes. Although it defines the world we live in, and provides fundamental ecosystem services, human activities increasingly threaten biodiversity at all levels, and the intensification of efforts to protect it is urgently needed. Such efforts are often impeded by a lack of knowledge on the distribution of biodiversity. Mapping biodiversity at all levels of organization is therefore an essential step in better informing conservation decisions. One of the key factors in determining where biodiversity is richest, how it is distributed or even how well biodiversity can bounce back from changes and threats it might experience, is the environment. Because environmental data have become widely available, knowledge on how the environment is related to the occurrence of biodiversity can greatly facilitate creating continuous maps of its distribution. Moreover, because human activities severely modify environmental conditions, disentangling their individual effects in driving spatial patterns of biodiversity plays a central in evolutionary biology, ecology and conservation. Within a changing environment, habitats may become unfavorable, and species may respond by shifting their ranges. The current level of habitat fragmentation, however, severely limits range shifts. Thus, species must respond adaptively to the modified or new selection pressures in order to persist in the long run. Such rapid evolutionary responses rely on standing genetic variation, representing adaptations to the environment. It is therefore indispensable to map the spatial distribution of adaptive genetic variation in order to maximize species’ evolutionary potential. This equips scientists to understand how changes in the environment may affect biodiversity and can eventually lead to a more fitting and adjusted conservation effort and better management practices. In this thesis, I aimed to (1) assess the relative influence of environment on different ecological and evolutionary processes, which themselves influence spatial patterns of biodiversity and to (2) evaluate how this understanding can be used for mapping and ultimately protecting biodiversity. I focused on several different components of biodiversity: habitats, species and genes. To cover multiple categories of biodiversity, I investigated (i) the distributional patterns of two closely related bumble bee species (the buff-tailed (Bombus terrestris) and the white-tailed bumble bee (Bombus lucorum)), and how those patterns are determined by the environment; (ii) the use in spatial conservation prioritization of environmental heterogeneity as a surrogate for species distributions and vice versa; (iii) the role of environment in shaping population divergence in the house sparrow (Passer domesticus); and (iv) signals of local adaptations in the buff-tailed bumble bee (Bombus terrestris). This work was conducted in two eastern European countries, Romania and Bulgaria. These countries comprise a highly heterogeneous environment, representing a suitable area for evaluating the effect of the environment on the distribution of biodiversity (species and genes). Parts of my work resulted in specific recommendations for conservation. These are very timely, since the European Union set new biodiversity targets for 2030, requesting member states to increase their protected areas network to 30% of the total land area. I found that: (i) both vegetation and climatic variables play a role in determining the distributions of the two bumble bee species, in particular vegetation cover and elevation-correlated climatic variables; (ii) environmental heterogeneity is not as a sufficient surrogate for species (based on bird species data) as the other way around, confirming the recommendation to use more than one type of surrogate in spatial conservation prioritization; (iii) and (iv) there is evidence of environmental selection and patterns of ‘isolation by environment’ determining population structure in both bumble bees and sparrows. I also identified a set of genes that may be adapted to local conditions in bumble bees. This thesis shows that the environment largely determines how biodiversity is distributed, and yet is a poor surrogate in spatial conservation prioritization. It also provides strong evidence that it is one of the main drivers shaping the genetic structure of species. These findings should encourage scientists to continue mapping spatial patterns of biodiversity and particularly focus on the genetic level of biodiversity. Understanding the drivers and patterns of adaptive genetic variation in populations is providing insight in evolutionary processes and helps ensure that the evolutionary potential of species can be maximized.

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