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Stressresistenz verschiedener Entwicklungsstadien bei Tagfaltern unter dem Einfluss des Klimawandels

  • Der anthropogene Klimawandel stellt für die Erhaltung der biologischen Vielfalt eine erhebliche Herausforderung dar. Dokumentierte biologische Reaktionen auf den jüngsten Klimawandel beinhalten phänologische und Verbreitungs-Verschiebungen sowie Abnahmen von an Kälte angepassten und Zunahmen von an Wärme angepassten Arten. Letzteres zeigt, dass einige Arten unter den sich ändernden Bedingungen leiden werden, während andere davon profitieren können. Welche spezifischen biologischen Eigenschaften darüber bestimmen, ob eine bestimmte Art ein „Gewinnen“ oder „Verlierer“ des Klimawandels sein wird, ist bis jetzt jedoch weitgehend unbekannt. Diese Dissertation untersuchte im ersten Experiment bei dem tropischen Schmetterling Bicyclus anynana welches Entwicklungsstadium am empfindlichsten auf Hitzestress reagiert. Ich konnte zeigen, dass Entwicklungsstadien deutlich in ihrer Hitzetoleranz variierten und Eier die höchste Anfälligkeit gegenüber Hitze zeigten. Auffällig war, dass die meisten Veränderungen in der Hitzetoleranz durch Unterschiede in der Körpermasse erklärt werden konnten, was somit zukünftig Einschränkungen in der Anpassungsfähigkeit mit sich bringen könnte. Ich schließe daraus, dass das Überleben der Arten unter dem Einfluss des Klimawandels vermutlich von anderen als dem auffälligen Imaginalstadium abhängt. Im zweiten Experiment habe ich die Stresstoleranz (Hitze und Trockenheit) während der frühen Entwicklung, bei drei verwandten Schmetterlingsarten mit unterschiedlichen Anfälligkeiten gegenüber dem Klimawandel, untersucht. Diese Arten sind Lycaena tityrus, L. dispar und L. helle. Die am meisten gefährdete Art (L. helle) zeigte den stärksten Rückgang des Schlupferfolges unter Hitze- und Trockenstress. Ich konnte darlegen, dass die Stresstoleranz während der frühen Entwicklung von entscheidender Bedeutung für das Überleben der Arten unter dem Einfluss des Klimawandels sein kann. Das dritte Experiment untersuchte die Reaktionen auf simulierte Hitzewellen während der Larven- und Puppenentwicklung und die daraus resultierenden Fitnessimplikationen für Lycaena tityrus, L. dispar und L. helle. Obwohl sich die Arten signifikant in ihren Reaktionen in den Versuchsgruppen unterschieden, scheint eine solche Variation weitgehend durch Selektionsdrücke, die mit den spezifischen Entwicklungswegen assoziiert sind, bestimmt zu sein. Ich fand heraus, dass die simulierten Hitzewellen nur geringe Auswirkungen auf Fitness-Komponenten, einschließlich des Fettgehalts und der Immunfunktion, hatten. Folglich scheinen alle drei Arten in der Lage zu sein, mit den projizierten Veränderungen während ihrer Larven- und Puppenentwicklung zurechtzukommen. Studie 4 verglich die Plastizität in der Stresstoleranz im adulten Stadium in diesen drei Feuerfalterarten. Die phänotypische Plastizität ist die erste Verteidigungslinie gegen Umweltveränderungen und kann für das Überleben von Arten unter dem Einfluss des Klimawandels von großer Bedeutung sein. Im Gegensatz zu meinen Vorhersagen zeigten die drei untersuchten Arten keine ausgeprägte Variation der Stressresistenz, obwohl sich die plastischen Kapazitäten in der Temperaturstressresistenz unterschieden. Insgesamt schienen meine Ergebnisse eher die Populations- als die Art-spezifischen Muster wiederzugeben. Experiment 5 untersuchte mögliche Unterschiede in den direkten und indirekten Entwicklungswegen von L. tityrus. Wie im vierten Experiment fand ich dabei keinen Hinweis auf negative Auswirkungen erhöhter Temperaturen und Hitzewellen. Darüber hinaus unterschieden sich die Muster nicht zwischen sich direkt und vermutlich mehr zeitlich beschränkten sich indirekt entwickelnden Individuen. Ich vermute, dass Art-spezifische Eigenschaften wichtiger sein könnten als potenzielle zeitliche Beschränkungen. Die letzte Studie wurde durchgeführt, um die Auswirkungen der veränderten Winterbedingungen auf das Überleben von L. tityrus zu testen. Ich fand heraus, dass wärmere und feuchtere Winterbedingungen die Überlebensraten deutlich verminderten. Diese negativen Auswirkungen beschränkten sich jedoch auf das Überleben während der Diapause und hatten keinen messbaren Effekt für die spätere individuelle Fitness der Falter. Ich gehe davon aus, dass die Überwinterung ein wichtiger Faktor für die Anfälligkeit gegenüber dem Klimawandel ist. Um das Schicksal bestimmter Arten und Populationen unter dem voranschreitenden Klimawandel vorherzusagen, müssen zwingend mehr Daten zur Stresstoleranz in verschiedenen Entwicklungsstadien, aus einem möglichst breiten Spektrum von Arten, zusammengetragen werden.
  • Anthropogenic climate change may pose substantial challenges to biodiversity conservation. Well-documented biological responses to recent climate change include phenological and range shifts as well as declines in cold-adapted but increases in warm-adapted species. The latter shows that some species will suffer while others will benefit from ongoing changes. However, the specific biological features determining whether a given species is becoming a ‘winner’ or ‘loser’ of climate change are hitherto largely unknown. This doctoral thesis investigated in the first experiment which life stage is the most sensitive one with regard to heat stress in the tropical butterfly Bicyclus anynana. I found that developmental stages clearly differed in heat tolerance, which was lowest in eggs. Strikingly, most of the variation found in thermal tolerance was explained by differences in body mass, which may thus impose a severe constraint on adaptive variation in stress tolerance. I conclude that species survival under climate change is more dependent on other than the typically most conspicuous adult stage. In the second experiment, I compared three related butterfly species of different vulnerability to climate change in their stress tolerance (heat and drought) during early development. These species are Lycaena tityrus, L. dispar and L. helle. The arguably most vulnerable species (L. helle) showed the strongest decline in egg hatching success under heat and desiccation stress. I showed that stress tolerance during early development may be of key importance for species survival under climate change. The third experiment tested the responses to simulated heat waves during larval and pupal development and the resulting fitness implications in Lycaena tityrus, L. dispar and L. helle. Although species differed significantly in their responses to treatments, such variation appears to be largely ruled by selection pressures associated with the specific developmental pathway. I found that the simulated heat waves had only little effect on fitness components including fat content and immune function. Consequently, all three species appear to be capable of dealing with projected changes during their larval and pupal development. Study 4 compared plasticity in stress tolerance in the adult life stage in these three Copper butterfly species. Phenotypic plasticity often comprises the first line of defense against environmental change and may be of utmost importance for survival under climate change. Contrary to my predictions, species did not show pronounced variation in stress resistance, though plastic capacities in temperature stress resistance did vary across species. Overall, my results seemed to reflect population- rather than species-specific patterns. Study 5 investigated possible differences in direct and indirect developing individuals of L. tityrus. I found no evidence for detrimental effects of increased temperatures and even simulated heat waves as in the fourth experiment. Besides that, the patterns did not differ between directly and putatively more time constrained indirectly developing individuals. I suggest that species attributes may be more important than potential time constraints imposed by different developmental pathways. The final study was conducted to test for the impact of changing winter conditions on the survival of L. tityrus. I found that warmer and moister winter conditions substantially decreased survival rates. But these detrimental effects were restricted to diapause survival and had no measurable effect on subsequent performance. I suggest that overwintering survival is an important determinant of vulnerability to climate change. Collating more data on stress tolerance in different life stages from a broader range of species will be of crucial importance for enhancing our abilities to predict the fate of particular species and populations under ongoing climate change.

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Metadaten
Author: Michael Klockmann
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002699-6
Title Additional (English):Stress tolerance of different life stages under climate change in butterflies
Advisor:Prof. Dr. Klaus Fischer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2017/01/19
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2017/01/18
Release Date:2017/01/19
GND Keyword:Anpassungsfähigkeit, Klimawandel, Schmetterlinge
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Zoologisches Institut und Museum
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 590 Tiere (Zoologie)