The role of climate legacies in shaping extinction risk throughout Earth's history

Titelangaben

Mathes, Gregor:
The role of climate legacies in shaping extinction risk throughout Earth's history.
Bayreuth , 2024 . - 233 S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

Volltext

	Format: PDF Name: PhD_thesis.pdf Version: Veröffentlichte Version Verfügbar mit der Lizenz Deutsches Urheberrechtsgesetz. Das Dokument darf zum eigenen Gebrauch kostenfrei genutzt werden. Darüber hinaus bedürfen die Vervielfältigung, Bearbeitung, Verbreitung und jede Art der Verwertung der schriftlichen Zustimmung des jeweiligen Rechteinhabers.
	Download (21MB)

Abstract

Die heutige Biodiversität ist durch den menschengemachten Klimawandel stark gefährdet. Eines der Kernziele der ökologischen Forschung zum Schutz der Biodiversität ist es daher, das zugrundeliegende Verständnis der Prozesse zu verbessern, die zum Artensterben führen können. Das Vorhandensein von non-linearen Dynamiken, multiplen Gleichgewichten, Schwellenwerten und internen Rückkopplungen in ökologischen und klimatischen Systemen erschwert jedoch oft ein mechanistisches Verständnis. Eines dieser grundlegenden Probleme für Studien die sich mit Aussterbeereignissen und Klimawandel beschäftigen ist, dass aktuelle Ereignisse immer von vergangenen Bedingungen abhängen. In der Ökologie wird diese Abhängigkeit von aktuellen Biodiversitätsdynamik vom vergangenen Klima allgemein als „Climate Legacy“, respektive Klimavermächtnisse, bezeichnet. Diese Klimavermächtnisse können aus einer Vielzahl von ökologischen Prozessen entstehen. Als Folge der dynamischen Natur ökologischer Muster und Prozesse kann außerdem davon ausgegangen werden, dass Klimavermächtnisse in allen Ökosystemen vorhanden sind. Wenn sie nicht berücksichtigt werden, können Klimavermächtnisse die Messung und Quantifizierung echter ökologischer Reaktionen auf den Klimawandel behindern oder sogar verhindern. Allerdings beziehen nur wenige Studien, die sich mit Aussterbeereignissen und Klimawandel beschäftigen, diese Klimavermächtnisse mit ein. Noch weniger Studien gehen über die bloße Diskussion möglicher Auswirkungen von Klimavermächtnissen hinaus und beziehen sie in ihren empirischen Rahmen ein. Diejenigen Studien, in denen Klimavermächtnisse einbezogen und quantifiziert wurden, fanden einen großen Einfluss dieser Klimavermächtnissen auf Aussterbeereignisse. In dieser Dissertation stelle ich einen methodischen Rahmen für die Quantifizierung von Effekten vor, die sich aus Klimavermächtnissen in biotischen Systemen jeder zeitlichen Größenordnung ergeben. Ich führe zunächst das Konzept der “Climate Interactions”, respektive Klimawechselwirkungen ein, die die potenzielle Abhängigkeit des Aussterberisikos vom vorhergenden klimatischen Kontext beschreiben und quantifizieren. Klimawechselwirkungen entstehen aus Klimavermächtnissen, die über Tage bis Millionen von Jahren wirken, und könnten ein charakteristisches Muster in Aussterbeereignissen erzeugen. Sie bieten daher einen einheitlichen Rahmen für die Untersuchung der Folgen von Klimavermächtnissen in Ökosystemen. Das erwartete charakteristische Muster besteht aus einem höheren Aussterberisiko, wenn klimatische Veränderungen vorangegangene Trends verstärken (z. B. wenn ein Temperaturanstieg das Klima vorangegangener Erwärmungen weiter erwärmt). Es wird die Hypothese aufgestellt, dass diese synergistischen Klimawechselwirkungen zunächst zu Umweltbedingungen führen, die sich zunehmend von anfänglichen Anpassungen von Arten unterscheiden, was dann zu einem höheren Aussterberisiko für diese Arten führt. Eine antagonistische Klimawechselwirkung, bei der ein kurzfristiger Klimawandel einen früheren langfristigen Trend umkehrt (z. B. wenn auf eine lange andauernde Erwärmung eine kurzzeitige Eiszeit folgt), könnte zu einem allgemein geringeren Aussterberisiko führen, da klimatische Bedingungen dann mehr den bevorzugten klimatischen Bedingungen der untersuchten Arten entsprechen. Dieser vorgeschlagene methodische Rahmen der Klimawechselwirkungen wird im Folgenden auf eine Vielzahl von marinen und terrestrischen Ökosystemen angewendet, wobei ich insbesondere die Entstehung der erwarteten Muster teste. Da klimabedingte Aussterbeereignisse in heutigen Ökosystemen selten sind, verwende ich hierzu die Informationen über vergangene Reaktionen von Organismen auf Klimaveränderungen, die Fossilien bereitstellen. Vier Manuskripte dieser Dissertation testen die mithilfe der Klimawechselwirkungen entwickelte Hypothese und liefern Evidenzen für die erwarteten Auswirkungen bei Aussterbe- und Evolutionsereignissen während des Phanerozoikums, bei Migrationsdynamiken während des Quartärs, und bei Vegetationsdynamiken während des Holozäns. Ein weiteres Manuskript liefert dringend benötigte Klimadaten für das katastrophalste Massensterben in der Erdgeschichte, und ein anderes Manuskript diskutiert im Zuge der Klimawechselwirkungen, wie man Rückschlüsse auf zeitgenössische ökologische Dynamiken mit paläoökologischen Perspektiven in einem transdisziplinären Rahmen kombinieren kann. Die sechs Manuskripte dieser Dissertation liefern daher methodologische, empirische und theoretische Beiträge, die darauf abzielen, das mechanistische Verständnis von Klimavermächtnissen und den resultierenden Mustern im Laufe der Erdgeschichte zu verbessern, insbesondere durch die Anwendung des Konzeptes der Klimawechselwirkungen. Basierend auf den Ergebnissen wird eine synergistische Klimawechselwirkung, definiert als klimatische Veränderung welche vorangegangene Trends verstärkt, negative Auswirkungen auf die Artenvielfalt haben. Der aktuelle monotone Erwärmungstrend des menschengemachten Klimawandels erhöht die Wahrscheinlichkeit des Auftretens synergistischer Klimawechselwirkungen mit potenziell schwerwiegenden Auswirkungen auf die Biodiversität in der Zukunft. Die Zusammenführung der Ergebnisse der einzelnen Forschungsprojekte dieser Arbeit mit ihren Erkenntnissen über biotische Reaktionen auf Klimaänderungen ermöglicht ein verbessertes Verständnis der Auswirkungen des zukünftigen menschengemachten Klimawandels auf die Biosphäre.

Abstract in weiterer Sprache

Biodiversity is critically endangered by anthropogenic climate change. One of the core goals of ecological research and conservation science is therefore to enhance the mechanistic understanding of the processes that cause species to go extinct, particularly in light of anthropogenic climate change. However, the presence of non-linearities, multiple equilibria, thresholds, and internal feedbacks within ecological and climatic systems often impedes a mechanistic comprehension. One fundamental issue for extinction studies using contemporary data is that this data is always dependent on past conditions. Within ecology, the dependence of contemporary biodiversity dynamics on past climate is generally termed “climate legacy”. Climate legacies can arise from a multitude of ecological processes, such as time lags, niche conservatism, physiological thresholds, or cascading effects. Further, climate legacies can be assumed to be present in all ecological systems as a consequence of the dynamic nature of ecological patterns and processes. If not accounted for, climate legacies can hinder or even prevent the detection of true ecological responses to climate change. However, few studies on the relationship between extinction dynamics and climate include these climate legacies. Even less studies reach beyond merely discussing potential impacts of climate legacies and include them in their empirical framework. Those studies where climate legacies were included and quantified found a large impact of these legacy effects on extinction dynamics. In this thesis, I introduce a methodical framework for the quantification of effects arising from climate legacies in biotic systems of any temporal scale. I first introduce the concept of climate interactions, which describe and quantify the potential dependence of extinction risk on the long-term climatic context. Climate interactions might create a characteristic pattern in extinction dynamics and can arise from climate legacies acting over days to millions of years. They therefore provide a unifying framework for studying the consequences of climate legacies in ecosystems. The expected characteristic pattern consists of higher extinction risk, or related measures, when climatic changes add to previous trends in the same direction (such as a short-term warming adding to a long-term warming trend). It is hypothesised that these synergistic climate interactions first lead to environmental conditions increasingly different from initial adaptations of taxa, which then result in a higher extinction risk for these taxa. An antagonistic climate interaction, where a short-term climate change reverses a previous long-term trend (such as short-term cooling adding to a long-term warming trend), might result in a generally lower extinction risk through climatic conditions being more similar to initial adaptations of taxa. This methodical framework of climate interaction is then applied to a variety of ecosystems, both marine and terrestrial, where I test the emergence of expected patterns. As climate-induced extinction events are rare in contemporary ecosystems, I take advantage of the fossil record with its rich information of past responses of organisms to climatic changes. Four manuscripts of this thesis test the hypothesis developed under climate interactions, and provide evidence for the expected effect in extinction and origination events throughout the Phanerozoic, in migration dynamics throughout the Quaternary, and in compositional turnover of plant assemblages throughout the Holocene. One additional manuscript provides crucially needed climatic data for the most catastrophic mass extinction event in Earth’s history, and another manuscript discusses how to combine inferences about contemporary ecological dynamics with palaeoecological perspectives in a transdisciplinary framework. The six manuscripts of this thesis therefore provide methodological, empirical, and theoretical contributions that aim to enhance the mechanistic understanding of climate legacies and their emerging patterns throughout Earth’s history, particularly through the application of the climate interaction framework. Based on the findings, a synergistic climate interaction, defined as a short-term climate change adding to a long-term trend in the same direction, will have more deleterious impacts on biodiversity. The current monotonic warming trend of anthropogenic climate change increases the occurrence probability of synergistic climate interactions, with potentially severe implications for biodiversity in the future. Bringing together the findings of the individual research projects of this thesis, with their insights about biotic responses to climatic changes, yields the chance to increase our ability to correctly assess the impact of future anthropogenic climate change on the biosphere.