Food webs in the era of molecular revolution – Like resolving the Gordian knot with a tricorder

Living nature consists of countless organisms, which are classified into millions of species. These species interact in many ways; for example predators when foraging on their prey, insect larvae consuming plants, and pathogenic bacteria drifting into humans. In addition, abiotic nature has a great initiative impact on life through many factors (including sunlight, ambient temperature, and water. In my thesis, I have studied interactions among different life forms in multifaceted ways. The webs of these interactions are commonly referred to as food webs, describing feeding relationships between species or energy transfer from one trophic level to another. These ecological interactions – whether they occur between species, between individuals, or between microorganisms within an individual – are among the greatest forces affecting natural communities. Relationships are tightly related to biological diversity, that is, species richness and abundances. A species is called a node in food web vocabulary, and its interactions to other species are called links. Generally, Artic food webs are considered to be loosely linked, simple structures. This conception roots into early modern food webs, where insects and other arthropods, for example, were clumped under one node. However, it has been shown that arthropods form the greatest part of diversity and biomass both in the tropics and in Arctic areas. Earlier challenges of revealing the role of insects and microorganisms in interactions webs have become possible with the help of recent advances in molecular techniques. In the first chapter, I studied the prey diversity of a common bat, Myotis daubentonii, in southwestern Finland. My results proved M. daubentonii being a versatile predator whose diet mainly consists of aquatic insects, such as chironomid midges. In the second chapter, I expanded the view to changes in seasonal and individual-based variation in the diet of M. daubentonii including the relationship between available and observed prey. I found out that chironomids remain the major prey group even though their abundance decreases in proportion to other insect groups. Diet varied a lot between individuals, although the differences were not statistically significant. The third chapter took the study to a large network in Greenland. I showed that Artic food webs are very complex when arthropods are taken into account. In the fourth chapter, I examined the bacterial flora of M. daubentonii and surveyed the zoonotic potential of these bacteria. I found Bartonella bacteria, of which one was described as a new species named after the locality of discovery. I have shown in my thesis that Myotis daubentonii as a predator links many insect species as well as terrestrial and aquatic environments. Moreover, I have exposed that Arctic food webs are complex structures comprising of many densely linked species. Finally, I demonstrated that the bacterial flora of bats includes several previously unknown species, some of which could possibly turn in to zoonosis. To summarize, molecular methods have untied several knots in biological research. I hope that this kind of increasing knowledge of the surrounding nature makes us further value all the life forms on earth.

Ravintoverkot DNA:n aikakaudella – kuin ratkoisi Gordionin solmua tricorder-laitteella Elollinen luonto koostuu lukemattomista organismeista, jotka luokitellaan miljooniin eri lajeihin. Nämä organismit ovat vuorovaikutuksessa keskenään monin tavoin; esimerkiksi pedot saalistaessaan, hyönteisten toukat syödessään ravintokasviaan, sekä toisaalta myös taudinaiheuttajabakteerit kulkeutuessaan ihmiseen. Myös niin kutsutulla elottomalla luonnolla on suuri alkuunpaneva vaikutus elolliseen luontoon eri tekijöiden kautta (muun muassa auringonvalo, lämpötila ja vesi). Olen väitöskirjassani tutkinut monipuolisesti eliöiden välisiä vuorovaikutuksia. Näiden vuorovaikutusten verkkoa kutsutaan yleisesti ravintoverkoiksi, kuvaten lajien välisiä syömissuhteita tai energian liikettä ravintotasolta toiselle. Juuri nämä ekologiset vuorovaikutukset – tapahtuvat ne sitten lajien tai yksilöiden välillä tai mikro-organismien välillä yksilön sisällä – ovat suurimpia eliöyhteisöä muokkaavia voimia. Vuorovaikutukset ovat kiinteässä suhteessa biologiseen monimuotoisuuteen, eli lajien määrään ja lajimäärien suhteisiin. Laji kuvataan ravintoverkossa solmukohtana, jonka vuorovaikutussuhteita muihin lajeihin merkitään yhdistävillä viivoilla, linkeillä. Yleisesti on ajateltu, että arktiset ravintoverkot ovat yksinkertaisia, koostuen vain muutamista solmuista ja niitä yhdistävistä harvoista linkeistä. Tämä käsitys on juontanut juurensa ensimmäisiin ravintoverkkoihin, joissa esimerkiksi hyönteiset ja muut niveljalkaiset oli kerätty yhden otsikon alle. Kuitenkin, monissa tutkimuksissa on osoitettu, että hyönteiset muodostavat sekä lajimäärältään että biomassaltaan vallitsevan ryhmän sekä tropiikissa että arktisilla alueilla. Aiemmin haasteelliseksi osoittautunut hyönteisten ja mikro-organismien roolien selvittäminen ravintoverkoissa on molekyylimenetelmien kehittymisen myötä tuonut uusia mahdollisuuksia ekologiseen tutkimukseen. Ensimmäisessä osatyössäni tutkin Suomessa yleisen lepakon, vesisiipan, ravintoa Varsinais-Suomen alueella. Tulokset osoittivat, että vesisiippa on erittäin monipuolinen peto, jonka pääasiallisen ravinnon muodostavat vedestä kuoriutuvat hyönteiset, erityisesti surviaissääsket. Toisessa työssäni laajensin vesisiipan ravinnonkäytön tutkimusta ajallisen ja yksilöiden välisen vaihtelun selvittämiseen sekä saatavilla olevan ravinnon suhdetta saaliiseen. Tulosten perusteella näyttää siltä, että surviaissääsket säilyttävät asemansa tärkeimpänä ravintokohteena, vaikka niiden määrä suhteessa muuhun ravintoon laskee syksyn edetessä. Ruokavalio vaihteli paljon yksilöiden välillä, tosin vaihtelu ei saavuttanut tilastollista merkitsevyyttä. Kolmannessa osatyössä tutkin laajaa ravintoverkkokokonaisuutta Grönlannissa. Löysin todisteita siitä, että arktiset ravintoverkot ovat erittäin monimutkaisia, eli lajien välillä on paljon vuorovaikutusyhteyksiä. Neljännessä työssäni tutkin vesisiipan bakteerilajistoa, sekä kartoitin löytyneiden bakteerien zoonoosi-potentiaalia. Löysin Bartonella-bakteereja, joista kuvasin yhden tieteelle uuden lajin löytöpaikan mukaan. Olen väitöskirjassani osoittanut, että vesisiippa petona yhdistää monia hyönteislajeja sekä terrestrisen ja akvaattisen ympäristön. Olen myös näyttänyt, että arktiset ravintoverkot koostuvat monimutkaisesti linkittyneistä eliöistä. Lisäksi osoitin, että lepakoiden bakteerilajisto sisältää paljon ennestään tuntemattomia bakteereja, joista osa saattaa olla ihmisellekin vaaraksi. Tiivistäen, molekyylimenetelmät ovat avanneet monia solmuja biologisessa tutkimuksessa. Toivonkin, että tämänkaltainen tiedon lisääntyminen ympäröivästä maailmasta lisää arvostustamme kaikkea elämän monimuotoisuutta kohtaan.