Ecological communities in variable environments : dynamics and diversity under coloured environmental stochasticity

While environmental variation is an ubiquitous phenomenon in the natural world which has for long been appreciated by the scientific community recent changes in global climatic conditions have begun to raise consciousness about the economical, political and sociological ramifications of global climate change. Climate warming has already resulted in documented changes in ecosystem functioning, with direct repercussions on ecosystem services. While predicting the influence of ecosystem changes on vital ecosystem services can be extremely difficult, knowledge of the organisation of ecological interactions within natural communities can help us better understand climate driven changes in ecosystems. The role of environmental variation as an agent mediating population extinctions is likely to become increasingly important in the future. In previous studies population extinction risk in stochastic environmental conditions has been tied to an interaction between population density dependence and the temporal autocorrelation of environmental fluctuations. When populations interact with each other, forming ecological communities, the response of such species assemblages to environmental stochasticity can depend, e.g., on trophic structure in the food web and the similarity in species-specific responses to environmental conditions. The results presented in this thesis indicate that variation in the correlation structure between species-specific environmental responses (environmental correlation) can have important qualitative and quantitative effects on community persistence and biomass stability in autocorrelated (coloured) environments. In addition, reddened environmental stochasticity and ecological drift processes (such as demographic stochasticity and dispersal limitation) have important implications for patterns in species relative abundances and community dynamics over time and space. Our understanding of patterns in biodiversity at local and global scale can be enhanced by considering the relevance of different drift processes for community organisation and dynamics. Although the results laid out in this thesis are based on mathematical simulation models, they can be valuable in planning effective empirical studies as well as in interpreting existing empirical results. Most of the metrics considered here are directly applicable to empirical data.

Ympäristössä tapahtuva vaihtelu on jo pitkään ollut tieteellisen kiinostuksen kohteena. Viimeisimmät ennustukset ihmistoiminnan vaikutuksista ilmastoon ovat alkaneet herättää huolta yhteiskunnan muillakin osa-alueilla. Ilmaston lämpenemisen on esimerkiksi arvioitu aiheuttavan merkittäviä taloudellisia menetyksiä verrattuna tilanteeseen, jossa ympäristömuutosta koitettaisiin tosissaan hillitä. Ilmaston lämpenemisen on myös jo havaittu aiheittaneen muutoksia eliölajien elinympäristöissä, levinneisyyksissä ja paikallisissa runsauksissa. Mikäli tällaiset muutokset tulevat voimistumaan, on niillä melko varmasti huomattavia vaikutuksia ylajiyhteisöjen rakeenteeseen ja toimintaan. Tämä taas heijastuu suoraan yhteisöjen yhtesikunnallemme tarjoamiin palveluihin , kuten kalakantoihin, tuholaistorjuntaan ja pölytykseen. Millä tavalla lajiyhteisön (jossa useat eri lajit ovat vuorovaikutuksessa keskenään) reagoi ympäristössä tapahtuviin muutoksiin voi merkittävästi vaihdella yhteisön rakenne mukaan. Tässä väitöskirjassa keskityn tutkimaan (teoreettisin menetelmin) yksinkertaisten, keskenään kilpailevien lajien muodostamia yhteisöjä ja miten erilainen ympäristövaihtelu vaikuttaa populaatioiden runsaudessa tapahtuviin muutoksiin näissä yhteisöissä. Saamieni tuloksten perusteella näyttäisi siltä, että lajien vasteiden keskinäinen samankaltaisuus, suhteessa ympäristössä tapahtuviin muutksiin, on merkittävä lajiyhteisöjen vakauteen vaikuttava tekijä. Lajien suhteelliset runsaudet, sekä runsauksissä havaittu vaihtelu ovat myös vahvasti kytköksissä ympäristövaihtelun nopeuteen. Tulosteni perusteella voimme oppia paljon luonon monimuotoisuuden jakautumisesta globaalisti ja paikallisesti tutkimalla erilaisten, satunnaisajaitumista ohjaavien tekijöiden vaikutusta lajiyhteisöjen muotoutumiseen ja niiden rakenteessa tapahtuvaan vaihteluun. Vaikka tässä väitöskirjassa esitetyt tulokset ja johtopäätökset pohjautuvat matemaattisiin malleihin empiiristen havaintojen sijaan, niitä on mahdollista hyödyntää myös käytännössä. Teoreettisiä ennusteita voidaan hyödyntää esimerkiksi empiiristen tutkimusten suunnittelussa, kuin myös tulkittaessa olemassaolevia tuloksia. Teoreettisia malleja voidaan myös hyödyntää suunniteltaessa luonnonvaraisten populaatioiden ja yhteisöjen hyödyntämistä, kuten kalastusta. Käyttämäni analyysityökalut ovat suoraan sovellettavissa empiirisiin aineistoihin.