Climate forcing on avian life history

In the 21st century, human-induced global climate change has been highlighted as one of the most serious threats to ecosystems worldwide. According to global climate scenarios, the mean temperature in Finland is expected to increase by 1.8 4.0°C by the end of the century. The regional and seasonal change in temperature has predicted to be spatially and temporally asymmetric, where the High-Arctic and Antarctic areas and winter and spring seasons have been projected to face the highest temperature increase. To understand how species respond to the ongoing climate change, we need to study how climate affects species in different phases of their life cycle. The impact of climate on breeding and migration of eight large-sized bird species was studied in this thesis, taking food availability into account. The findings show that climatic variables have considerable impact on the life-history traits of large-sized birds in northern Europe. The magnitude of climatic effects on migration and breeding was comparable with that of food supply, conventionally regarded as the main factor affecting these life-history traits. Based on the results of this thesis and the current climate scenarios, the following not mutually exclusive responses are possible in the near future. Firstly, asymmetric climate change may result in a mistiming of breeding because mild winters and early spring may lead to earlier breeding, whereas offspring are hatching into colder conditions which elevate mortality. Secondly, climate induced responses can differ between species with different breeding tactics (income vs. capital breeding), so that especially capital breeders can gain advantage on global warming as they can sustain higher energy resources. Thirdly, increasing precipitation has the potential to reduce the breeding success of many species by exposing nestlings to more severe post-hatching conditions and hampering the hunting conditions of parents. Fourthly, decreasing ice cover and earlier ice-break in the Baltic Sea will allow earlier spring migration in waterfowl. In eiders, this can potentially lead to more productive breeding. Fifthly, warming temperatures can favour parents preparing for breeding and increase nestling survival. Lastly, the climate-induced phenological changes in life history events will likely continue. Furthermore, interactions between climate and food resources can be complex and interact with each other. Eiders provide an illustrative example of this complexity, being caught in the crossfire between more benign ice conditions and lower salinity negatively affecting their prime food resource. The general conclusion is that climate is controlling not only the phenology of the species but also their reproductive output, thus affecting the entire population dynamics.

Causes and consequences of variation in nestling immune function

Defence against pathogens is a vital need of all living organisms that has led to the evolution of complex immune mechanisms. However, although immunocompetence the ability to resist pathogens and control infection has in recent decades become a focus for research in evolutionary ecology, the variation in immune function observed in natural populations is relatively little understood. This thesis examines sources of this variation (environmental, genetic and maternal effects) during the nestling stage and its fitness consequences in wild populations of passerines: the blue tit (Cyanistes caeruleus) and the collared flycatcher (Ficedula albicollis). A developing organism may face a dilemma as to whether to allocate limited resources to growth or to immune defences. The optimal level of investment in immunity is shaped inherently by specific requirements of the environment. If the probability of contracting infection is low, maintaining high growth rates even at the expense of immune function may be advantageous for nestlings, as body mass is usually a good predictor of post-fledging survival. In experiments with blue tits and haematophagous hen fleas (Ceratophyllus gallinae) using two methods, methionine supplementation (to manipulate nestlings resource allocation to cellular immune function) and food supplementation (to increase resource availability), I confirmed that there is a trade-off between growth and immunity and that the abundance of ectoparasites is an environmental factor affecting allocation of resources to immune function. A cross-fostering experiment also revealed that environmental heterogeneity in terms of abundance of ectoparasites may contribute to maintaining additive genetic variation in immunity and other traits. Animal model analysis of extensive data collected from the population of collared flycatchers on Gotland (Sweden) allowed examination of the narrow-sense heritability of PHA-response the most commonly used index of cellular immunocompetence in avian studies. PHA-response is not heritable in this population, but is subject to a non-heritable origin (presumably maternal) effect. However, experimental manipulation of yolk androgen levels indicates that the mechanism of the maternal effect in PHA-response is not in ovo deposition of androgens. The relationship between PHA-response and recruitment was studied for over 1300 collared flycatcher nestlings. Multivariate selection analysis shows that it is body mass, not PHA-response, that is under direct selection. PHA-response appears to be related to recruitment because of its positive relationship with body mass. These results imply that either PHA-response fails to capture the immune mechanisms that are relevant for defence against pathogens encountered by fledglings or that the selection pressure from parasites is not as strong as commonly assumed.

Suolistopatogeenisten Escherichia coli -bakteerien esiintyvyys ripulipotilailla ja raa’oissa lihatuotteissa Burkina Fasossa sekä enterohemorraagisten E. coli -kantojen karakterisointi

Suolistopatogeeniset Escherichia coli -bakteerit eli ripulikolit aiheuttavat ihmisellä suolistoinfektioita. Kuten normaalimikrobiston E. coli -bakteerit, ne esiintyvät ihmisen lisäksi muiden nisäkkäiden, etenkin märehtijöiden, ja lintujen suolistossa. Lisäksi ne voivat esiintyä maaperässä ja vesistöissä. Ihminen voi saada tartunnan eläinperäisten elintarvikkeiden välityksellä tai juomalla eläinten tai ihmisen ulosteilla saastunutta vettä. Ripulikolit voidaan jakaa ainakin viiteen ryhmään perustuen niiden erilaisiin virulenssiominaisuuksiin: enteropatogeeninen E. coli (EPEC), enterotoksigeeninen E. coli (ETEC), enterohemorraaginen E. coli (EHEC), enteroinvasiivinen E. coli (EIEC) ja enteroaggregatiivinen E. coli (EAEC). EPEC aiheuttaa etenkin kehitysmaissa pikkulapsille ripulia. ETEC aiheuttaa turistiripulia ja vastasyntyneiden ripulia kehitysmaissa. EHEC aiheuttaa ripulia tai veriripulia, joka voi varsinkin pienillä lapsilla johtaa hemolyyttis-ureemiseen oireyhtymään (HUS) ja munuaisten vaurioitumiseen. EIEC aiheuttaa Shigellan kaltaista ripulia, joka voi olla veristä. EAEC on yhdistetty lähinnä pitkittyneisiin ripuleihin. Tutkimuksessa selvitettiin suolistopatogeenisten E. coli -bakteerien esiintyvyyttä Burkina Fasossa, josta ei ole saatavilla aikaisempaa tietoa ripulikolien esiintymisestä ihmisissä ja elintarvikkeissa. Ulostenäytteitä otettiin ripulia sairastavilta alle viisivuotiailta lapsilta maaseudulta kahdesta kylästä, Boromosta ja Gourcysta, ja maan pääkaupungista Ouagadougousta (110 näytettä). Lihanäytteitä (kanaa, nautaa, lammasta ja naudan suolta, jota käytetään ihmisravinnoksi) otettiin Ouagadougoun toreilla myytävistä kypsentämättömistä lihoista (120 näytettä). Näytteistä saadut bakteerisekaviljelmät tutkittiin monialukkeisella PCR-menetelmällä, joka tunnistaa viiden ripulikoliryhmän virulenssigeenejä. Lisäksi lihanäytteistä eristettiin 20 EHEC-kantaa shigatoksiinin stx-geenin havaitsemiseen perustuvalla pesäkehybridisaatiolla ja PCR-seulonnalla, ja karakterisoitiin mahdollisten virulenssiominaisuuksien selvittämiseksi. Tutkimus osoitti, että ripulikolien aiheuttamat suolistoinfektiot ovat yleisiä ripulia sairastavilla pikkulapsilla Burkina Fasossa. Ulostenäytteistä 59 % oli positiivisia. Useimmiten lapsilla esiintyi EAEC- (32 %) ETEC- (31 %) ja EPEC-patoryhmiä (20 %). EIEC- (2 %) ja EHEC-patoryhmiä (1 %) esiintyi vähän. Myös useamman patoryhmän sekainfektiot olivat yleisiä (24 %). Eri paikkakuntien välillä oli tilastollisesti merkitseviä eroja ripulikolien esiintymisessä. Gourcyssa ripulikoleja esiintyi useammin kuin Ouagadougoussa ja Boromossa. Tutkimuksessa kävi ilmi, että Ouagadougoun toreilla myytävissä lihoissa on paljon ripulikoleja. Lihanäytteistä 43 % oli positiivisia. Yleisimmin lihoissa esiintyi EHEC (28 %), EPEC (20 %), ETEC (8 %) ja EAEC (5 %). EIEC-ryhmää ei havaittu lihoissa. Myös useamman patoryhmän sekakontaminaatioita löytyi (17 %) lihoista. Ripulikolien esiintyvyydessä eri lihojen välillä ei ollut tilastollisesti merkitseviä eroja, kun tarkasteltiin kaikkia patoryhmiä yhdessä. Eri patoryhmien esiintyvyyttä tarkasteltaessa EHEC-patoryhmää ei esiintynyt ollenkaan kanassa ja ero oli tilastollisesti merkitsevä muihin lihoihin verrattuna. Lihoista eristetyt 20 EHEC-kantaa kuuluivat 14 eri serotyyppiin, joista osa on aikaisemmin eristetty suolistoinfektioihin ja HUSoireyhtymään sairastuneilta ihmisiltä. Kaikki kannat olivat stx1-positiivisia ja puolella oli lisäksi stx2-geeni, jota pidetään shigatoksiinin virulentimpana muotona. Kahdelta EHEC-kannalta löytyi myös ETECpatoryhmän lämpöstabiilin enterotoksiini Ia:n geeni eli kannat olivat kahden patoryhmän välimuotoa ja osoitus geenien siirtymisestä eri patoryhmien välillä. Vaikka nuorimmat näytteen antaneet lapsipotilaat tuskin söivät lihaa, sen voidaan ajatella silti olevan edustava näyte lasten elinympäristöstä, sillä lasten ruoka valmistetaan usein samoissa oloissa, joissa raakaa lihaa käsitellään. Saastunut liha voi siten olla pikkulasten ripulikoli-infektioiden aiheuttaja.