Patterns and ecological impacts of the Lessepsian invasion

Autor: Steger, Jan
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2022
DOI: 10.25365/thesis.71342
Popis: Biologische Invasionen gelten als eine der größten Bedrohungen autochthoner Biodiversität und Ökosysteme, ihr Verständnis kann jedoch durch fehlende Basisdaten zu einheimischen Gemeinschaften vor Invasionsbeginn und/oder Schwierigkeiten beim Nachweis und Monitoring nichtheimischer Arten (engl.: non-indigenous species, NIS), besonders in marinen Lebensräumen, stark erschwert werden. Ziel dieser Dissertation war es, durch Kombination von Ansätzen der modernen benthischen und funktionellen Ökologie mit Informationen aus zeitlich durchmischten Totgemeinschaften diese Einschränkungen zu überwinden, um neue Erkenntnisse zu den Mustern und ökologischen Auswirkungen einer der größten marin-biologischen Invasionen, der sogenannten Lesseps’schen Invasion, zu liefern: seit Öffnung des Suezkanals im Jahr 1869 sind hunderte indopazifische NIS ins östliche Mittelmeer eingedrungen, wo sie heute oftmals den Hauptbestandteil der Flachwasser-Lebensgemeinschaften bilden. Parallel zu dieser Entwicklung stattfindende Populationseinbrüche vieler einst häufiger einheimischer Arten haben eine Debatte darüber entfacht, ob die Verdrängung durch NIS, oder aber Umweltveränderungen hauptursächlich für diese Rückgänge sind. Die Analyse eines umfangreichen Datensatzes zu Flachwasser-Molluskengemeinschaften des stark von biologischen Invasionen betroffenen israelischen Mittelmeerschelfs zeigte signifikante und konsistente Unterschiede in der abundanzgewichteten biologischen Merkmalsstruktur ihrer einheimischen und nichtheimischen Komponenten. Dies traf nicht nur auf Lebend-, sondern auch Totgemeinschaften zu, einschließlich jener, deren einheimische Komponenten überwiegend aus prä-Lesseps’schen (d.h., vor dem Jahr A. D. 1869 produzierten) Schalen bestanden. Diese Ergebnisse legen nahe, dass erfolgreiche indopazifische NIS seit Beginn der Lesseps’schen Invasion Nischen eingenommen haben, die sich von jenen dominanter einheimischer Taxa unterscheiden, anstatt funktionell ähnliche Mittelmeerarten zu verdrängen. Gleichzeitig bedeuten sie, dass die zunehmende Dominanz von NIS die funktionellen Eigenschaften von Flachwasser-Ökosystemen im östlichen Mittelmeer stark verändert haben dürfte. Im Gegensatz zum Subtidal wurde Merkmalsüberlappung zwischen einheimischen und nichtheimischen Gemeinschaftskomponenten auf intertidalen Hartsubstraten geringer Oberflächenkomplexität, wo raue Umweltbedingungen für eine begrenzte Diversität erfolgreicher Lebensstrategien selektieren, häufig beobachtet. Die Merkmalsähnlichkeit in diesem Lebensraum wurde von zwei ökologisch sehr ähnlichen Napfschneckenarten bestimmt, der einheimischen Patella caerulea Linnaeus, 1758 und der indopazifischen Cellana rota (Gmelin, 1791). Obwohl die Körpergröße einheimischer Napfschnecken einen negativen Zusammenhang mit der Prävalenz von C. rota aufwies – ein Anzeichen für mögliche asymmetrische Konkurrenz – koexistieren beide Arten seit mehr als 15 Jahren entlang der israelischen Mittelmeerküste. Trotz einheimisch-nichtheimischer Nischenüberlappung ist die Gezeitenzone bisher weitaus weniger vom Verlust einheimischer Biodiversität betroffen als Habitate im flachen Subtidal. Dies stützt die Hypothese, dass die regional rasch voranschreitende Erwärmung des Meerwassers immer häufiger die physiologischen Toleranzgrenzen einheimischer Populationen überschreitet und Hauptursache ihres Rückgangs ist: Organismen der Gezeitenzone sind, im Gegensatz zu subtidalen Arten, von Natur aus an extreme Temperaturen angepasst und könnten aus diesem Grund, sogar in Gegenwart ökologisch ähnlicher NIS, überlebt haben, obwohl das Zusammenspiel von Konkurrenz und Erwärmung auch die Fitness intertidaler einheimischer Arten progressiv verringern dürfte. Klimawandel und wiederholte Erweiterungen des Suezkanals erleichtern die Einschleppung und Ausbreitung Lesseps’scher Arten im Mittelmeer. Trotz zunehmendem wissenschaftlichem Interesse in jüngerer Zeit bleibt das Monitoring von NIS weiterhin eine schwierige Aufgabe. Ein Forschungsansatz, der umfangreiche Feldarbeit und internationale Kooperation von Wissenschaftlern mit der Analyse von Totgemeinschaften verbindet, kann unser Vermögen, NIS mit erhaltungsfähigen Skelettelementen nachzuweisen, erheblich verbessern: Totgemeinschaften können durch die zeitliche Akkumulation von Skelettelementen und ihre nur langsam veränderliche taxonomische Zusammensetzung dazu beitragen, NIS zu entdecken, welche (noch) zu selten sind, um in regulären Erhebungen lebender Individuen erfasst zu werden, aber auch dabei helfen, fundierte Hypothesen über den einheimischen bzw. nichtheimischen Status neu nachgewiesener Arten aus taxonomisch und/oder biogeografisch schlecht untersuchten Gruppen zu entwickeln. Zusammenfassend zeigt diese Dissertation, wie ein fachlicher Brückenschlag zwischen moderner Ökologie und Paläontologie die Erforschung und das Management biologischer Invasionen in einer globalisierten Welt, deren natürliche biogeografische Muster zunehmend von menschlichen Aktivitäten verändert werden, voranbringen kann.
Biological invasions are considered one of the most significant threats to native biodiversity and ecosystems, yet their understanding can be severely hampered by the lack of pre-invasion data on recipient assemblages and/or the difficulties associated with detecting and monitoring non-indigenous species (NIS), particularly in marine environments. By combining approaches from modern benthic and functional ecology with information extracted from time-averaged death assemblages, this thesis aimed at addressing these limitations to shed new light on the patterns and ecological consequences of one of the largest marine biological invasions, the so-called Lessepsian invasion: following the opening of the Suez Canal in 1869, hundreds of Indo-Pacific NIS entered the Eastern Mediterranean Sea, where today, they often constitute the dominant component of shallow-water assemblages. Concurrent with this development, populations of numerous formerly common native species have collapsed, sparking a debate on the role of displacement by NIS vs. environmental change as the main driver of these declines. The analysis of an extensive dataset on shallow subtidal molluscan assemblages from the heavily invaded Israeli Mediterranean shelf revealed significant and consistent differences in the abundance-weighted trait composition of their native and non-indigenous components. This result applied not only to living, but also to death assemblages, including those whose native components were dominated by pre-Lessepsian (i.e., pre-AD 1869) shells. These findings suggest that successful Indo-Pacific NIS have occupied niches distinct from dominant native taxa since the onset of the Lessepsian invasion, rather than displaced functionally similar Mediterranean species. At the same time, they imply that the increasing dominance of NIS likely has significantly altered the functional properties of Eastern Mediterranean shallow-water ecosystems. In contrast to the subtidal, trait overlap between native and non-indigenous molluscan assemblage components was frequently observed on low-complexity intertidal hard substrates, where harsh environmental conditions are predicted to select for a limited set of successful life strategies. Trait similarity in this habitat was driven by two species of ecologically highly similar limpets, the native Patella caerulea Linnaeus, 1758 and the Indo-Pacific Cellana rota (Gmelin, 1791). Although the body size of native limpets was negatively related to the prevalence of C. rota – suggesting potential asymmetric competition – both species have co-existed on the Israeli Mediterranean shore for more than 15 years. Despite the occurrence of native–non-indigenous niche overlap, the intertidal has been much less affected by native biodiversity loss than shallow subtidal habitats. This supports the hypothesis that regionally rapid seawater warming increasingly pushes native populations beyond their physiological tolerance limits and acts as the primary driver of their decline: intertidal organisms, in contrast to subtidal species, are naturally adapted to extreme temperatures, and thus may have been able to survive, even in the presence of ecologically similar NIS, although competition may interact with warming to progressively erode the fitness also of native intertidal species. Climate change and repeated enlargements of the Suez Canal promote the introduction and spread of Lessepsian species in the Mediterranean. However, despite increasing scientific efforts in recent times, the monitoring of NIS remains challenging. An approach combining intensive field sampling and international cooperation among researchers with the analysis of death assemblages can significantly improve our ability to detect NIS that produce durable skeletal elements: due to time-averaging and their compositional inertia, death assemblages can help sampling NIS (yet) too rare to be encountered by routine censuses of living individuals, and aid in developing informed hypotheses about the native vs. non-indigenous status of newly recorded species belonging to taxonomically and/or biogeographically poorly studied groups. Collectively, this dissertation shows how bridging the fields of modern ecology and paleontology may benefit invasion science and management in a globalized world where human activities increasingly reshape natural biogeographic patterns.
Databáze: OpenAIRE
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