Onderzoeksproject P7/04 (Onderzoeksactie P7)
De mens heeft een overweldigende invloed op zijn natuurlijke omgeving, en dit heeft geleid tot een ernstige biodiversiteitcrisis, die gaat van het genetische tot het ecosysteemniveau (Butchart et al. 2010). Antropogene omgevingen veroorzaken ook een sterk selectieregime dat zowel het soort- als het genetisch niveau kan beïnvloeden (Palumbi 2001; Darimont et al. 2009). Er bestaat momenteel een ontluikende en omvattende theorie, waarin aangetoond wordt dat ecologische en evolutionaire dynamieken als gevolg van veranderingen in de omgeving niet onafhankelijk zijn van elkaar, maar dat deze sterk kunnen interageren. Dit kan belangrijke gevolgen hebben voor voorspellingen van biologische reacties op gradiënten in omgevingsfactoren (Hairston et al. 2005; Urban et al. 2008; Pelletier et al. 2009; Schoener 2011; Ellner et al. 2011). Deze nieuwe theorie over de integratie van ecologische en evolutionaire dynamieken inspireert zich op een toenemend aantal studies die aantonen dat evolutionaire reacties op veranderende omgevingen zich voordoen op vergelijkbare temporele en ruimtelijke schalen. Zo beïnvloeden ze ook ecologische responsen (Stockwell et al. 2003). Eco-evolutionaire dynamieken worden meer en meer erkend voor hun groot belang bij het maken van realistische voorspellingen over de reacties van populaties en gemeenschappen op antropogene veranderingen in het milieu, inclusief klimaatsveranderingen (De Meester et al. 2011; Urban et al. 2011) en wijzigingen in landgebruik (Cheptou et al. 2008). Het verbeteren van dergelijke voorspellingen is essentieel bij het ontwerpen van natuurbehoudsstrategieën. Omdat eco-evolutionaire dynamieken ook een invloed kunnen hebben op het functioneren van ecosystemen (Fussman et al. 2007; Matthews et al. 2011), kunnen zij ons dus ook een beter begrip bijbrengen over veranderingen in ecosysteemdiensten, i.e. de diensten die ecosystemen aan de samenleving bieden. Antropogene verstoringen creëren nieuwe omgevingen met een sterke selectiedruk. Daarom vormen deze nieuwe systemen uitstekende modellen waarin we de adaptaties van organismen aan deze ecologische uitdagingen kunnen bestuderen, alsook hoe ze terugkoppelen naar het functioneren van ecosystemen. Het belang van de studie van eco-evolutionaire dynamieken in antropogene omgevingen voor de voorspellende kracht van onze modellen kan dus synergistisch gekoppeld worden aan de waarde van hun informatie over de impact van eco-evolutionaire dynamieken op de biologische respons.
Ruimtelijke variatie speelt een zeer belangrijke rol in eco-evolutionaire responsen op veranderingen in de omgeving. De manier waarop lokale populaties, gemeenschappen en ecosystemen reageren op veranderingen in de omgeving kan in belangrijke mate afhangen van de interactie tussen lokale en regionale responsen (De Meester et al. 2011; Urban et al. 2011). Lokale populaties en gemeenschappen kunnen reageren op omgevingsveranderingen door wijzigingen in de relatieve abundantie van lokale genotypes of soorten, maar kunnen ook sterk beïnvloed worden door een toestroom van gepreadapteerde genotypes of soorten uit regionale genotypen- of soortenbronnen (Urban et al. 2011). De ruimtelijke configuratie van habitatplekken kan het effect van de omgeving op eco-evolutionaire dynamieken sterk beïnvloeden (Kozak et al. 2008). Verbreiding hangt voor een groot deel af van de intrinsieke verbreidingscapaciteit van de organismen, maar ook van hun regionale abundantie. De identiteit van de migranten hangt bovendien ook af van (onder andere) de ruimtelijke opmaak van habitatkwaliteit. Daarenboven verschillen organismen sterk in voortplantingswijze en generatietijd, wat de sterkte van de lokale respons aanzienlijk kan beïnvloeden. Om al deze redenen verwachten we dat de interactie tussen lokale en regionale responsen in eco-evolutionaire dynamieken zal variëren tussen verschillende groepen van organismen. Een algemeen voorspellend kader van antropogene impact dat steunt op eco-evolutionaire dynamieken dient dus rekening te houden met de variatie in biologische eigenschappen van verschillende groepen. Het huidige project zal deze uitdaging aanpakken met een consortium dat de capaciteiten heeft om dit veelzijdig probleem aan te pakken.
Dit consortium verenigt zowel gevestigde onderzoeksgroepen met internationale uitstraling alsook jonge, veelbelovende groepen in elkaar aanvullende disciplines van evolutionair en ecologisch onderzoek (e.g. Lens et al. 2002; Decaestecker et al. 2007; Van der Gucht et al. 2007; Berwaerts et al. 2008; Bonte et al. 2008; Van Dyck et al. 2009; Hendrickx et al. 2009; Urban & De Meester 2009; Casteleyn et al. 2010; Matthysen et al. 2011). Deze teams hebben een zeer sterke expertise in complementaire benaderingen en methoden, zoals grootschalig veldonderzoek, experimentele evolutie, populatiegenetica en -genomica, mechanistisch onderzoek op verbreiding en fitnesskenmerken (bvb. gedragsstudies, levensgeschiedenis- en eco-fysiologisch onderzoek) en modelering. De verschillende onderzoeksgroepen hebben alle in hun onderzoek het aspect ruimte ingebouwd, ofwel door zich expliciet toe te leggen op de verbreiding zelf en de mechanistische grondslagen van verbreiding, door een kwantitatieve benadering van ruimtelijke configuratie in landschappen en het toepassen van een metapopulatie- en metagemeenschaps-benadering, of door de simulatie van metapopulatie- en metagemeenschapsdynamieken in kwantitatieve modellen. Het consortium heeft expertise in zowel aquatische als terrestrische systemen, met zowel vertebraten (vogels, vissen) als invertebraten (zoöplankton, arthropoden, slakken,...), planten en microben. Deze groepen van organismen omvatten een brede waaier aan verbreidingsmogelijkheden, manieren van reproductie en generatietijden. Onderzoek aan het geheel van deze groepen is essentieel om tot algemene conclusies te kunnen komen. Daarenboven omvat het consortium expertise over taxa die interacties hebben met elkaar, zoals gastheer-parasiet en predator-prooi systemen, en dit binnen en tussen de grenzen van het aquatische en terrestrische milieu.
Onze aanpak is drieledig:
(1) Collectief onderzoek op gradiënten in antropogene verstoring. Het consortium zal zich toespitsen op een gezamenlijk en zeer geïntegreerd onderzoek van eco-evolutionaire dynamieken langsheen sterke gradiënten in antropogene verstoring, en zal hierbij replica’s gebruiken van habitatten langsheen (semi-)natuurlijke – landelijke – stedelijke gradiënten in België. In een collectieve aanpak, die hiërarchisch gestructureerde ruimtelijk schalen en verschillende groepen organismen omvat, zullen wij het effect van de verschillende responsen op dezelfde algemene gradiënten van antropogene invloed documenteren. De bestudeerde stedelijke gradiënten omvatten, onder andere, verschillen in vervuiling, temperatuur, grootte van habitatten, en connectiviteit tussen habitatten. We zullen de nadruk leggen op een gezamenlijke analyse van de structuur van metapopulaties en metagemeenschappen, om aldus de in situ eco-evolutionaire dynamieken in natuurlijke omstandigheden te illustreren. De belangrijkste kenmerken van dit deel van het onderzoek zijn: (a) een ruimtelijk expliciete en gedetailleerde karakterisering van de landschapsstructuur in verband met de wijze waarop omgevingsgradiënten en de verschillende groepen organismen op elkaar afgestemd zijn; (b) genetische analyses van de metapopulatiestructuur van modelgroepen, die zowel neutrale als adaptieve merkers en ecologisch belangrijke kenmerken omvatten (en dus ook met inbegrip van populatie-genomica en kwantitatieve genetica); (c) een analyse van lokale en regionale soortensamenstelling en (d) de geassocieerde waarden van hun kenmerken. De combinatie van deze verschillende benaderingen zal toelaten om zowel de neutrale als de adaptieve dynamieken te bestuderen, en dit op zowel populatie- als gemeenschapsniveau, in een expliciet ruimtelijke context. Deze analyse van ecologische en evolutionaire responsen op zowel lokaal als regionaal niveau en dit voor een reeks van groepen van organismen biedt een unieke mogelijkheid om na te gaan hoe antropogene omgevingen biologische gemeenschappen beïnvloeden. In gerichte studies zullen deze analyses eveneens gekoppeld worden aan veranderingen in ecosysteemprocessen zoals productiviteit, snelheid van de afbraakprocessen enz. Onze aanpak is krachtiger dan de traditionele meta-analyses van differentiële responsen tussen groepen organismen omdat we werken binnen dezelfde algemene landschapsstructuren. We zullen goed-gedocumenteerde gradiënten van urbanisatie bestuderen binnen een polygoon bepaald door de steden Antwerpen, Gent, Namen en Leuven; deze polygoon omvat ook de stad Brussel.
(2) Doelgericht mechanistisch onderzoek op specifieke vraagstellingen. We zullen maximaal gebruik maken van de bestaande expertise en databanken van partners binnen het consortium om gerichte mechanistische experimenten uit te voeren, welke van cruciaal belang zijn voor de interpretatie van het hierboven beschreven collectief veld-gebaseerd onderzoek. Zo zullen wij, bijvoorbeeld, mechanistisch onderzoek uitvoeren naar de bepalende factoren bij verbreidingsbeslissingen in (semi-)natuurlijke omstandigheden, experimentele analyses van ecofysiologische responsen, experimenteel evolutionaire studies naar de manier en snelheid van veranderingen in ecosysteemfuncties, en analyses van gastheer-parasiet dynamieken.
(3) Een synthese over tijdelijke en ruimtelijke niveaus. Bovenop het synthetiseren van de eco-evolutionaire dynamieken die voortkomen uit ons gezamenlijk onderzoek zoals hoger beschreven, zullen wij ook de eco-evolutionaire dynamieken over zeer brede ruimtelijke en temporele niveaus modeleren. Wij zullen maximaal gebruik maken van onze complementaire expertise in verschillende benaderingen van modelering, alsook van onze gezamenlijke expertise in het onderzoek aan micro- en macro-evolutionaire dynamieken, met in begrip van adaptieve radiatie. Wij zullen kwantitatieve modellen opstellen die evolutionaire processen over verschillende temporele niveaus omvatten, alsook over ruimtelijke patronen met verschillende niveaus van connectiviteit.
De erfenis van de voorgestelde IAP omvat:
(1) Inzichten in de responsen van populaties en gemeenschappen van een brede waaier organismen op dezelfde sterke antropogene gradiënten. De benadering van ons onderzoek vormt een unieke kans om na te gaan op welke manier organismen verschillen in hun respons op antropogene invloed over verschillende ruimtelijke niveaus. Dit is nog nooit verricht in een eco-evolutionaire context, terwijl dit toch zeer relevant is, vooral in deze specifieke context. Verschillen in lokale en regionale dynamieken, afhankelijkheid van verbreidingsmogelijkheden, connectiviteit, wijze van voortplanting en generatietijd, zullen gezamenlijk de sterkte van eco-evolutionaire interacties bepalen. Bovendien zal ons onderzoek het ook mogelijk maken na te gaan hoe eco-evolutionaire dynamieken soort-interacties over trofische niveaus heen kunnen beïnvloeden in ruimtelijke landschappen.
(2) Nieuwe methoden en concepten die de integratie van ecologische en evolutionaire dynamieken in een ruimtelijke context zullen toelaten. Deze zullen betere voorspellingen van de responsen van populaties, gemeenschappen en ecosystemen op veranderingen in de omgeving mogelijk maken. Zulke voorspellingen zijn dringend nodig, gegeven de uitdagingen gevormd door steeds toenemende negatieve invloeden van menselijke activiteiten op natuurlijke systemen en het daarmee geassocieerde risico van verslechterende ecosysteemdiensten.
(3) Een sterk netwerk van onderzoeksgroepen dat speerpunt-onderzoek zal uitvoeren naar eco-evolutionaire dynamieken en een nieuwe generatie goed opgeleide jonge onderzoekers die een theoretische en empirische aanpak in dit onderzoeksterrein kunnen combineren en aldus bijdragen tot meer efficiënte voorspellingen van de biologische gevolgen van menselijke impact.
Een uitgebreide ecologische en evolutionaire (publieke) databank over een brede waaier van organismen langsheen een gestandaardiseerde gradiënt van antropogene veranderingen, die informatief zal zijn voor de evaluatie van ecosysteemdiensten en beheersopties.
