Bioclimatic constraints to Andean cat distribution: a modelling application for rare species

AimTo identify the bioclimatic niche of the endangered Andean cat (Leopardus jacobita), one of the rarest and least known felids in the world, by developing a species distribution model.LocationSouth America, High Andes and Patagonian steppe. Peru, Bolivia, Chile, Argentina.MethodsWe used 108 Andean cat records to build the models, and 27 to test them, applying the Maxent algorithm to sets of uncorrelated bioclimatic variables from global databases, including elevation. We based our biogeographical interpretations on the examination of the predicted geographic range, the modelled response curves and latitudinal variations in climatic variables associated with the locality data.ResultsSimple bioclimatic models for Andean cats were highly predictive with only 3-4 explanatory variables. The climatic niche of the species was defined by extreme diurnal variations in temperature, cold minimum and moderate maximum temperatures, and aridity, characteristic not only of the Andean highlands but also of the Patagonian steppe. Argentina had the highest representation of suitable climates, and Chile the lowest. The most favourable conditions were centrally located and spanned across international boundaries. Discontinuities in suitable climatic conditions coincided with three biogeographical barriers associated with climatic or topographic transitions.Main conclusionsSimple bioclimatic models can produce useful predictions of suitable climatic conditions for rare species, including major biogeographical constraints. In our study case, these constraints are also known to affect the distribution of other Andean species and the genetic structure of Andean cat populations. We recommend surveys of areas with suitable climates and no Andean cat records, including the corridor connecting two core populations. The inclusion of landscape variables at finer scales, crucially the distribution of Andean cat prey, would contribute to refine our predictions for conservation applications.

Formation of the long range Dpp morphogen gradient.

The TGF-β homolog Decapentaplegic (Dpp) acts as a secreted morphogen in the Drosophila wing disc, and spreads through the target tissue in order to form a long range concentration gradient. Despite extensive studies, the mechanism by which the Dpp gradient is formed remains controversial. Two opposing mechanisms have been proposed: receptor-mediated transcytosis (RMT) and restricted extracellular diffusion (RED). In these scenarios the receptor for Dpp plays different roles. In the RMT model it is essential for endocytosis, re-secretion, and thus transport of Dpp, whereas in the RED model it merely modulates Dpp distribution by binding it at the cell surface for internalization and subsequent degradation. Here we analyzed the effect of receptor mutant clones on the Dpp profile in quantitative mathematical models representing transport by either RMT or RED. We then, using novel genetic tools, experimentally monitored the actual Dpp gradient in wing discs containing receptor gain-of-function and loss-of-function clones. Gain-of-function clones reveal that Dpp binds in vivo strongly to the type I receptor Thick veins, but not to the type II receptor Punt. Importantly, results with the loss-of-function clones then refute the RMT model for Dpp gradient formation, while supporting the RED model in which the majority of Dpp is not bound to Thick veins. Together our results show that receptor-mediated transcytosis cannot account for Dpp gradient formation, and support restricted extracellular diffusion as the main mechanism for Dpp dispersal. The properties of this mechanism, in which only a minority of Dpp is receptor-bound, may facilitate long-range distribution.

Physiological traits affecting the distribution and wintering strategy of the bat Tadarida teniotis

The ability to enter torpor at low ambient temperature, which enables insectivorous bats to survive seasonal food shortage, is often seen as a prerequisite for colonizing cold environments. Free-tailed bats (Molossidae) show a distribution with a maximum latitudinal extension that appears to be intermediate between truly tropical and temperate-zone bat families. We therefore tested the hypothesis that Tadarida teniotis, the molossid species reaching the highest latitude worldwide (46 degrees N), lacks the extreme physiological adaptations to cold that enable other sympatric bats to enter further into the temperate zone. We studied the metabolism of individuals subjected to various ambient temperatures in the laboratory by respirometry, and we monitored the body temperature of free-ranging individuals in winter and early spring in the Swiss Alps using temperature-sensitive radio-tags. For comparison, metabolic data were obtained from Nyctalus noctula, a typically hibernating vespertilionid bat of similar body size and convergent foraging tactics. The metabolic data support the hypothesis that T. teniotis cannot experience such low ambient temperatures as sympatric temperate-zone vespertilionid bats without incurring much higher energetic costs for thermogenesis. The minimum rate of metabolism in torpor was obtained at 7.5 degrees-10 degrees C in T. teniotis, as compared to 2.5 degrees-5 degrees C in N. noctula. Field data showed that T. teniotis behaves as a classic thermo-conforming hibernator in the Alps, with torpor bouts lasting up to 8 d. This contradicts the widely accepted opinion that Molossidae are nonhibernating bars. However, average body temperature (10 degrees-13 degrees C) and mean arousal frequency (3.4 d in one bat in January) appear to be markedly higher than in other temperate-zone bat species. At the northern border of its range T. teniotis selects relatively warm roosts (crevices in tall, south-exposed limestone cliffs) in winter where temperatures oscillate around 10 degrees C. By this means, T. teniotis apparently avoids the risk of prolonged exposure to energetically critical ambient temperatures in torpor (<6.5 degrees-7.5 degrees C) during cold spells. Possibly shared by other Molossidae, the physiological pattern observed in T. teniotis may clearly be linked to the intermediate latitudinal extension of this bat family.

The importance of host spatial distribution for parasite specialization and speciation: a comparative study of bird fleas (Siphonaptera : Ceratophyllidae)

1. The environment of parasites is determined largely by their hosts. Variation in host quality, abundance and spatial distribution affects the balance between selection within hosts and gene flow between hosts, and this should determine the evolution of a parasite's host-range and its propensity to locally adapt and speciate. 2. We investigated the relationship between host spatial distribution and (1) parasite host range, (2) parasite mobility and (3) parasite geographical range, in a comparative study of a major group of avian ectoparasites, the birds fleas belonging to the Ceratophyllidae (Siphonaptera). 3. Flea species parasitizing colonial birds had narrower host ranges than those infesting territorial nesters or birds with an intermediate level of nest aggregation. 4. The potential mobility and geographical ranges of fleas decreased with increasing level of aggregation of their hosts and increased with the fleas' host ranges. 5. Birds with aggregated nest distribution harboured more flea species mainly due to a larger number of specialists than solitarily nesting hosts. 6. These results emphasize the importance of host spatial distribution for the evolution of specialization, and for local adaptation and speciation in Ceratophyllid bird fleas.

Accuracy of plant assemblage predictions from species distribution models varies along environmental gradients

Aim: Climatic niche modelling of species and community distributions implicitly assumes strong and constant climatic determinism across geographic space. This assumption had however never been tested so far. We tested it by assessing how stacked-species distribution models (S-SDMs) perform for predicting plant species assemblages along elevation. Location: Western Swiss Alps. Methods: Using robust presence-absence data, we first assessed the ability of topo-climatic S-SDMs to predict plant assemblages in a study area encompassing a 2800 m wide elevation gradient. We then assessed the relationships among several evaluation metrics and trait-based tests of community assembly rules. Results: The standard errors of individual SDMs decreased significantly towards higher elevations. Overall, the S-SDM overpredicted far more than they underpredicted richness and could not reproduce the humpback curve along elevation. Overprediction was greater at low and mid-range elevations in absolute values but greater at high elevations when standardised by the actual richness. Looking at species composition, the evaluation metrics accounting for both the presence and absence of species (overall prediction success and kappa) or focusing on correctly predicted absences (specificity) increased with increasing elevation, while the metrics focusing on correctly predicted presences (Jaccard index and sensitivity) decreased. The best overall evaluation - as driven by specificity - occurred at high elevation where species assemblages were shown to be under significant environmental filtering of small plants. In contrast, the decreased overall accuracy in the lowlands was associated with functional patterns representing any type of assembly rule (environmental filtering, limiting similarity or null assembly). Main Conclusions: Our study reveals interesting patterns of change in S-SDM errors with changes in assembly rules along elevation. Yet, significant levels of assemblage prediction errors occurred throughout the gradient, calling for further improvement of SDMs, e.g., by adding key environmental filters that act at fine scales and developing approaches to account for variations in the influence of predictors along environmental gradients.

Niche, distribution and global change : modeling insights into biogeography and conservation biology Olivier Broennimann

RESUME Les évidences montrant que les changements globaux affectent la biodiversité s'accumulent. Les facteurs les plus influant dans ce processus sont les changements et destructions d'habitat, l'expansion des espèces envahissantes et l'impact des changements climatiques. Une évaluation pertinente de la réponse des espèces face à ces changements est essentielle pour proposer des mesures permettant de réduire le déclin actuel de la biodiversité. La modélisation de la répartition d'espèces basée sur la niche (NBM) est l'un des rares outils permettant cette évaluation. Néanmoins, leur application dans le contexte des changements globaux repose sur des hypothèses restrictives et demande une interprétation critique. Ce travail présente une série d'études de cas investiguant les possibilités et limitations de cette approche pour prédire l'impact des changements globaux. Deux études traitant des menaces sur les espèces rares et en danger d'extinction sont présentées. Les caractéristiques éco-géographiques de 118 plantes avec un haut degré de priorité de conservation sont revues. La prévalence des types de rareté sont analysées en relation avec leur risque d'extinction UICN. La revue souligne l'importance de la conservation à l'échelle régionale. Une évaluation de la rareté à échelle globale peut être trompeuse pour certaine espèces car elle ne tient pas en compte des différents degrés de rareté que présente une espèce à différentes échelles spatiales. La deuxième étude test une approche pour améliorer l'échantillonnage d'espèces rares en incluant des phases itératives de modélisation et d'échantillonnage sur le terrain. L'application de l'approche en biologie de la conservation (illustrée ici par le cas du chardon bleu, Eryngium alpinum), permettrait de réduire le temps et les coûts d'échantillonnage. Deux études sur l'impact des changements climatiques sur la faune et la flore africaine sont présentées. La première étude évalue la sensibilité de 227 mammifères africains face aux climatiques d'ici 2050. Elle montre qu'un nombre important d'espèces pourrait être bientôt en danger d'extinction et que les parcs nationaux africains (principalement ceux situé en milieux xériques) pourraient ne pas remplir leur mandat de protection de la biodiversité dans le futur. La seconde étude modélise l'aire de répartition en 2050 de 975 espèces de plantes endémiques du sud de l'Afrique. L'étude propose l'inclusion de méthodes améliorant la prédiction des risques liés aux changements climatiques. Elle propose également une méthode pour estimer a priori la sensibilité d'une espèce aux changements climatiques à partir de ses propriétés écologiques et des caractéristiques de son aire de répartition. Trois études illustrent l'utilisation des modèles dans l'étude des invasions biologiques. Une première étude relate l'expansion de la laitue sáuvage (Lactuca serriola) vers le nord de l'Europe en lien avec les changements du climat depuis 250 ans. La deuxième étude analyse le potentiel d'invasion de la centaurée tachetée (Centaures maculosa), une mauvaise herbe importée en Amérique du nord vers 1890. L'étude apporte la preuve qu'une espèce envahissante peut occuper une niche climatique différente après introduction sur un autre continent. Les modèles basés sur l'aire native prédisent de manière incorrecte l'entier de l'aire envahie mais permettent de prévoir les aires d'introductions potentielles. Une méthode alternative, incluant la calibration du modèle à partir des deux aires où l'espèce est présente, est proposée pour améliorer les prédictions de l'invasion en Amérique du nord. Je présente finalement une revue de la littérature sur la dynamique de la niche écologique dans le temps et l'espace. Elle synthétise les récents développements théoriques concernant le conservatisme de la niche et propose des solutions pour améliorer la pertinence des prédictions d'impact des changements climatiques et des invasions biologiques. SUMMARY Evidences are accumulating that biodiversity is facing the effects of global change. The most influential drivers of change in ecosystems are land-use change, alien species invasions and climate change impacts. Accurate projections of species' responses to these changes are needed to propose mitigation measures to slow down the on-going erosion of biodiversity. Niche-based models (NBM) currently represent one of the only tools for such projections. However, their application in the context of global changes relies on restrictive assumptions, calling for cautious interpretations. In this thesis I aim to assess the effectiveness and shortcomings of niche-based models for the study of global change impacts on biodiversity through the investigation of specific, unsolved limitations and suggestion of new approaches. Two studies investigating threats to rare and endangered plants are presented. I review the ecogeographic characteristic of 118 endangered plants with high conservation priority in Switzerland. The prevalence of rarity types among plant species is analyzed in relation to IUCN extinction risks. The review underlines the importance of regional vs. global conservation and shows that a global assessment of rarity might be misleading for some species because it can fail to account for different degrees of rarity at a variety of spatial scales. The second study tests a modeling framework including iterative steps of modeling and field surveys to improve the sampling of rare species. The approach is illustrated with a rare alpine plant, Eryngium alpinum and shows promise for complementing conservation practices and reducing sampling costs. Two studies illustrate the impacts of climate change on African taxa. The first one assesses the sensitivity of 277 mammals at African scale to climate change by 2050 in terms of species richness and turnover. It shows that a substantial number of species could be critically endangered in the future. National parks situated in xeric ecosystems are not expected to meet their mandate of protecting current species diversity in the future. The second study model the distribution in 2050 of 975 endemic plant species in southern Africa. The study proposes the inclusion of new methodological insights improving the accuracy and ecological realism of predictions of global changes studies. It also investigates the possibility to estimate a priori the sensitivity of a species to climate change from the geographical distribution and ecological proprieties of the species. Three studies illustrate the application of NBM in the study of biological invasions. The first one investigates the Northwards expansion of Lactuca serriola L. in Europe during the last 250 years in relation with climate changes. In the last two decades, the species could not track climate change due to non climatic influences. A second study analyses the potential invasion extent of spotted knapweed, a European weed first introduced into North America in the 1890s. The study provides one of the first empirical evidence that an invasive species can occupy climatically distinct niche spaces following its introduction into a new area. Models fail to predict the current full extent of the invasion, but correctly predict areas of introduction. An alternative approach, involving the calibration of models with pooled data from both ranges, is proposed to improve predictions of the extent of invasion on models based solely on the native range. I finally present a review on the dynamic nature of ecological niches in space and time. It synthesizes the recent theoretical developments to the niche conservatism issues and proposes solutions to improve confidence in NBM predictions of the impacts of climate change and species invasions on species distributions.

Long-term and long range migration of radioisotopes in terrestrial systems : mechanisms of radioisotopes (Cs, Sr, Pu, Am) mobilization in soils

Summary Artificial radionuclides were released in the environment during the atmospheric nuclear weapon tests and after accidental events involving nuclear industries. As a primary receptor of the deposition, the soil is a very sensitive compartment and understanding the interaction and migration of radionuclides within soils allows the development of scenario for the contamination risk of the population and of the environment. Most available field studies on radionuclides in soils only concern one or two isotopes, mostly 137Cs, and few physico-chemical soil parameters. The purpose of this study was a broader understanding of the radioecology of an Alpine valley. In a first part, we aimed to describe the depth distribution of 137Cs, 90Sr, 239+240Pu, and 241Am within different alpine soils and to identify some stable elements as indicators for accumulating layers. In the central part of the study, the goal was to investigate the repartition of ^Sr and 239Pu between the truly dissolved fraction and the colloidal fraction of the soil solutions and to identify the nature of colloids involved in the adsorption of ^Sr and 239Pu. These results were integrated in an "advection- sorption" transport model seeking to explain the migration of 239Pu and 90Sr within the soils and to assess the importance of colloidal transport for these two isotopes. A further aspect studied was the role of the competition between the radioisotopes (137Cs and 90Sr) and their stable chemical analogues (K and Ca) with respect to plant uptake by different plant species. The results on the depth distribution within the soils showed that 137Cs was mostly retained in the topsoil, to the exception of an organic-rich soil (Histosol 2) receiving important surface runoff, where migration down to a depth of 30 cm was observed. 137Cs depth distribution within the soils was similar to unsupported 210Pb depth distribution. The plant uptake of 137Cs clearly depended on the concentration of exchangeable potassium in the soils. Moreover, we showed that the 137Cs uptake by certain species of the taxonomic orders Poales and Rosales was more sensitive to the increase in exchangeable Κ compared to other orders. Strontium-90 was much more mobile in the soils than 137Cs and depth migration and accumulation in specific AI- and Fe-rich layers were found down to 30 cm. Copper and Ni showed accumulations in these same layers, indicating their potential to be used as indicators for the migration of ^Sr within the soils. In addition, we observed a 90Sr activity peak in the topsoil that can be attributable to recycling of 90Sr by plant uptake. We demonstrated for the first time that a part of 90Sr (at least 40%) was associated with the colloids in organic-rich soil solutions. Therefore, we predict a significant effect of the colloidal migration of ^Sr in organic-rich soil solutions. The plant uptake results for 90Sr indicated a phylogenetic effect between Non-Eudicot and Eudicots: the order Poales concentrating much less 90Sr than Eudicots do. Moreover, we were able to demonstrate that the sensitivity of the 90Sr uptake by 5 different Alpine plant species to the amount of exchangeable Ca was species-independent. Plutonium and 241Am accumulated in the second layer of all soils and only a slight migration deeper than 20 cm was observed. Plutonium and 241Am showed a similar depth distribution in the soils. The model results suggested that the present day migration of 239Pu was very slow and that the uptake by plants was negligible. 239Pu activities between 0.01 to 0.08 mBq/L were measured in the bulk soil solutions. Migration of 239Pu with the soil solution is dominated by colloidal transport. We reported strong evidences that humic substances were responsible of the sorption of 239Pu to the colloidal fraction of the soil solutions. This was reflected by the strong correlation between 239Pu concentrations and the content of (colloidal) organic matter in the soil solution. Résumé Certains radioéléments artificiels ont été disséminés dans l'environnement suite aux essais atmosphériques de bombes nucléaires et suite à des accidents impliquant les industries nucléaires. En tant que récepteur primaire de la déposition, le sol est un compartiment sensible et des connaissances sur les interactions et la migration des radioéléments dans le sol permettent de développer des modèles pour estimer la contamination de la population et de l'environnement. Actuellement, la plupart des études de terrain sur ce sujet concernent uniquement un ou deux radioéléments, surtout le 137Cs et peu d'études intègrent les paramètres du sol pour expliquer la migration des radioéléments. Le but général de cette étude était une compréhension étendue de la radio-écologie d'une vallée alpine. Notre premier objectif était de décrire la distribution en profondeur de 137Cs, ^Sr, 239+240pu et 241Am dans différents sols alpins en relation avec des éléments stables du sol, dans le but d'identifier des éléments stables qui pourraient servir d'indicateurs pour des horizons accumulateurs. L'objectif de la deuxième partie, qui était la partie centrale de l'étude, était d'estimer le pourcentage d'activité sous forme colloïdale du 239Pu et du 90Sr dans les solutions des sols. De plus nous avons déterminé la nature des colloïdes impliqués dans la fixation du ^Sr et 239Pu. Nous avons ensuite intégré ces résultats dans un modèle de transport développé dans le but de décrire la migration du 239Pu et 90Sr dans le sol. Finalement, nous avons étudié l'absorption de 137Cs et 90Sr par les plantes en fonction de l'espèce et de la compétition avec leur élément analogue stable (K et Ca). Les résultats sur la migration en profondeur du 137Cs ont montré que ce radioélément était généralement retenu en surface, à l'exception d'un sol riche en matière organique dans lequel nous avons observé une nette migration en profondeur. Dans tous les sols, la distribution en profondeur du 137Cs était corrélée avec la distribution du 210Pb. L'absorption du 137Cs par les plantes, était dépendante de la concentration en Κ échangeable dans le sol, le potassium étant un compétiteur. De plus, nous avons observé que les espèces ne réagissaient pas de la même manière aux variations de la concentration de Κ échangeable. En effet, les espèces appartenant aux ordres des Poales et des Rosales étaient plus sensibles aux variations de potassium échangeable dans le sol. Dans tous les sols Le 90Sr était beaucoup plus mobile que le 137Cs. En effet, nous avons observé des accumulations de 90Sr dans des horizons riches en Fe et Al jusqu'à 30 cm de profondeur. De plus, le Cu et le Ni montraient des accumulations dans les mêmes horizons que le 90Sr, indiquant qu'il pourrait être possible d'utiliser ces deux éléments comme analogues pour la migration du 90Sr. D'après le modèle développé, le pic de 90Sr dans les premiers centimètres du sol peut être attribué à du recyclage par les plantes. Le 90Sr en solution était principalement sous forme dissoute dans des solutions de sols peu organique (entre 60 et 100% de 90Sr dissous). Par contre, dans des solutions organiques, un important pourcentage de 90Sr (plus de 40%) était associé aux colloïdes. La migration colloïdale du 90Sr peut donc être significative dans des solutions organiques. Comme pour le 137Cs, l'absorption du 90Sr par les plantes dépendait de la concentration de son analogue chimique dans la fraction échangeable du sol. Par contre, les espèces de plantes étudiées avaient la même sensibilité aux variations de la concentration du calcium échangeable. Le plutonium et l'américium étaient accumulés dans le deuxième horizon du sol et nous avons observé seulement une faible migration plus profondément que 20 cm. Selon le modèle, la migration actuelle du plutonium est très lente et l'absorption par les plantes semble négligeable. Nous avons mesuré entre 0.01 et 0.08 mBq/L de 239Pu dans les solutions de sol brutes. La migration du plutonium par la solution du sol est due principalement aux colloïdes, probablement de nature humique. Résumé grand public Dans les années 1950 à 1960, l'environnement a été contaminé par des éléments radioactifs (radioéléments) artificiels provenant des essais des armes atomiques et de l'industrie nucléaire. En effet, durant ces années, les premiers essais de bombes atomiques se faisaient dans l'atmosphère, libérant de grandes quantités d'éléments radioactifs. De plus certains accidents impliquant l'industrie nucléaire civile ont contribué à la dissémination d'éléments radioactifs dans l'environnement. Ce fut par exemple le cas de l'accident de la centrale atomique de Tchernobyl en 1986 qui a causé une importante contamination d'une grande partie de l'Europe par le 137Cs. Lorsqu'ils sont libérés dans l'atmosphère, les radioéléments sont dispersés et transportés par les courants atmosphériques, puis peuvent être déposés dans l'environnement, principalement par les précipitations. Une fois déposés sur le sol, les radioéléments vont interagir avec les composants du sol et migrer plus ou moins vite. La connaissance des interactions des éléments radioactifs avec le sol est donc importante pour prédire les risques de contamination de l'environnement et de l'homme. Le but général de ce travail était d'évaluer la migration de différents éléments radioactifs (césium-137, strontium-90, plutonium et américium-241) à travers le sol. Nous avons choisi un site d'étude en milieu alpin (Val Piora, Tessin, Suisse), contaminé en radioéléments principalement par les retombées de l'accident de Tchernobyl et des essais atmosphériques de bombes atomiques. Dans un premier temps, nous avons caractérisé la distribution en profondeur des éléments radioactifs dans le sol et l'avons comparée à divers éléments stables. Cette comparaison nous a permit de remarquer que le cuivre et le nickel s'accumulaient dans les mêmes horizons du sol que le strontium-90 et pourraient donc être utilisés comme analogue pour la migration du strontium-90 dans les sols. Dans la plupart des sols étudiés, la migration du césium-137, du plutonium et de l'américium-241 était lente et ces radioéléments étaient donc accumulés dans les premiers centimètres du sol. Par contre, le strontium-90 a migré beaucoup plus rapidement que les autres radioéléments si bien qu'on observe des accumulations de strontium-90 à plus de 30 cm de profondeur. Les radioéléments migrent dans la solution du sol soit sous forme dissoute, soit sous forme colloïdale, c'est-à-dire associés à des particules de diamètre < Ιμηι. Cette association avec des colloïdes permet à des radioéléments peu solubles, comme le plutonium, de migrer plus rapidement qu'attendu. Nous avons voulu savoir quelle était la part de strontium-90 et plutonium associés à des colloïdes dans la solution du sol. Les résultats ont montré que le plutonium en solution était principalement associé à des colloïdes de type organique. Quant au strontium-90, ce dernier était en partie associé à des colloïdes dans des solutions de sol riches en matière organique, par contre, il était principalement sous forme dissoute dans les solutions de sol peu organiques. L'absorption de radioéléments par les plantes représente une voie importante pour le transfert vers la chaîne alimentaire, par conséquent pour la contamination de l'homme. Nous avons donc étudié le transfert du césium-137 et du strontium-90 de plusieurs sols vers différentes espèces de plantes. Les résultats ont montré que l'absorption des radioéléments par les plantes était liée à la concentration de leur analogue chimique (calcium pour le strontium-90 et potassium pour le césium- 137) dans la fraction échangeable du sol. De plus certaines espèces de plantes accumulent significativement moins de strontium-90.

Distribution of metals exposure and associations with cardiometabolic risk factors in the "Modeling the Epidemiologic Transition Study".

BACKGROUND: Metals are known endocrine disruptors and have been linked to cardiometabolic diseases via multiple potential mechanisms, yet few human studies have both the exposure variability and biologically-relevant phenotype data available. We sought to examine the distribution of metals exposure and potential associations with cardiometabolic risk factors in the "Modeling the Epidemiologic Transition Study" (METS), a prospective cohort study designed to assess energy balance and change in body weight, diabetes and cardiovascular disease risk in five countries at different stages of social and economic development. METHODS: Young adults (25-45 years) of African descent were enrolled (N = 500 from each site) in: Ghana, South Africa, Seychelles, Jamaica and the U.S.A. We randomly selected 150 blood samples (N = 30 from each site) to determine concentrations of selected metals (arsenic, cadmium, lead, mercury) in a subset of participants at baseline and to examine associations with cardiometabolic risk factors. RESULTS: Median (interquartile range) metal concentrations (μg/L) were: arsenic 8.5 (7.7); cadmium 0.01 (0.8); lead 16.6 (16.1); and mercury 1.5 (5.0). There were significant differences in metals concentrations by: site location, paid employment status, education, marital status, smoking, alcohol use, and fish intake. After adjusting for these covariates plus age and sex, arsenic (OR 4.1, 95% C.I. 1.2, 14.6) and lead (OR 4.0, 95% C.I. 1.6, 9.6) above the median values were significantly associated with elevated fasting glucose. These associations increased when models were further adjusted for percent body fat: arsenic (OR 5.6, 95% C.I. 1.5, 21.2) and lead (OR 5.0, 95% C.I. 2.0, 12.7). Cadmium and mercury were also related with increased odds of elevated fasting glucose, but the associations were not statistically significant. Arsenic was significantly associated with increased odds of low HDL cholesterol both with (OR 8.0, 95% C.I. 1.8, 35.0) and without (OR 5.9, 95% C.I. 1.5, 23.1) adjustment for percent body fat. CONCLUSIONS: While not consistent for all cardiometabolic disease markers, these results are suggestive of potentially important associations between metals exposure and cardiometabolic risk. Future studies will examine these associations in the larger cohort over time.

Distribution profile of zwitterions and hydrolysis of esters derived from N-benzylpiperazine

Résumé Les esters sont des agents thérapeutiques largement utilisés comme médicaments et prodrogues. Leurs dégradation est chimique et enzymatique. Le Chapitre IV de cette thèse a comme objet l'hydrolyse chimique de plusieurs dérivés esters du 2,3-dimethoxyphenol. Des composés modèles ont été synthétisés dans le but de déterminer leur mécanismes de dégradation. Les profils d'ionisation et d'hydrolyse de ces composés ont permis d'identifier la présence d'une catalyse intramoléculaire basique par un atome d'azote non-protoné. Les effets électroniques exercés par les groupes phenylethenyle et phenylcyclopropyle influencent également la vitesse d'hydrolyse des esters. La résolution des problèmes liés à l'adsorption et la perméation est devenue à nos jours l'étape limitante dans la conception de nouveaux médicaments car de trop nombreux candidats prometteurs ont échoué à cause d'une mauvaise biodisponibilité. La lipophilie décrit le partage d'un médicament entre une membrane lipidique et son environnement physiologique aqueux, et de ce fait elle influence sa pharmacocinétique. Des études récents ont mis en évidence l'importance de la détermination de la lipophilie des espèces ionisées vu leur considérable impact biologique. Le Chapitre V de cette thèse est centré sur une classe particulière de composés ionisables, les zwitterions. Plusieurs methoxybenzylpiperazines de nature zwitterionique ont été étudiées. Leurs profils d'ionisation ont montré que dans un large intervalle de pH, l'espèce prédominante est le zwitterion. Les profils de lipophilie ont montré que leur lipophilie est plus élevée que celles des zwitterions courants. Une interaction électrostatique entre l'oxygène du carboxylate et l'azote protoné est responsable de ce profil et rend la plupart des zwitterions non-donneurs de liaison hydrogène. Ces deux aspects peuvent favoriser le passage de la barrière hémato-éncephalique. Les données biologiques ont par la suite confirmé cette hypothèse pour un certain nombre de composés. Résumé large public Les esters sont des composés souvent rencontrés en chimie thérapeutique. Ils sont dégradés en milieu aqueux par une réaction d'hydrolyse, avec ou sans la participation d'enzymes. Dans ce travail de thèse, une série d'esters ont été étudiés dans le but d'établir une relation entre leur structure et les mécanismes responsables de leur dégradation chimique. Il a été prouvé que la dégradation est accélérée par un atome d'azote non-protoné. D'autres mécanismes peuvent intervenir en fonction du pH du milieu. La présence d'une liaison simple ou double ou d'un groupe phenylcyclopropyle peut également influencer la vitesse de dégradation. Il est essentiel, dans la conception de nouveaux médicaments, d'optimiser les étapes qui influencent leur distribution dans le corps. Ce dernier peut être visualisé comme une série infinie de compartiments aqueux séparés par des membranes lipidiques. La lipophilie est une propriété moléculaire importante qui décrit le passage des barrières rencontrées par les médicaments. Des études récentes ont mis en évidence l'importance de déterminer la lipophilie des espèces ionisées vu leur considérable impact biologique. Dans ce travail de thèse a été étudiée une série particulière de composés ionisables , les zwitterions. Une relation a été établie entre leur structure et leur proprietés physico-chimiques. Une lipophilie plus élevée par rapport à celle des zwitterions courants a été trouvée. Une interaction entre les groupes chargés des zwitterions étudiés est responsable de ce comportement inattendu et rend la plupart d'entre eux non-donneurs de liaison hydrogène. Ces deux facteurs peuvent favoriser la pénétration cérébrale. Les données biologiques ont confirmé cette hypothèse pour un certain nombre de composés. Summary Esters are often encountered in medicinal chemistry. Their hydrolysis may be chemical as well as enzymatic. Chapter IV of this manuscript provides a mechanistic insight into the chemical hydrolysis of a particular series of basic esters derived from 2,3-dimethoxyphenol. Their ionization and pH-rate profiles allowed to identify the presence of an intramolecular base catalysis by a non-protonated nitrogen atom. Electronic effects exerted by the phenylethenyl and phenylcyclopropyl groups that are present in the structure of the esters also influenced their rate of hydrolysis. Numerous works in the literature witness of the importance of lipophilicity in determining the fate of a drug. Most published partition coefficients are those of neutral species. In contrast, no exhaustive treatment of the lipophilicity of charged molecules is available at present, and a lack of information characterizes in particular zwitterions. Chapter V of this manuscript provides an insight into the physicochemical parameters of a series of zwitterionic methoxybenzylpiperazines. Their ionization profiles showed that they exist predominantly in the zwitterionic form in a broad pH-range. An electrostatic interaction between the oxygen of the carboxylate and the protonated nitrogen atom is increases the lipophilicity of the investigated zwitterions, and prevents the majority of them to express their hydrogen-bonding capacity. These two aspects may favor the crossing of the blood-brain barrier. The available ratios PSt/PSf measured in vitro have confirmed this point for a number of compounds.

Are niche-based species distribution models transferable in space?

Aim To assess the geographical transferability of niche-based species distribution models fitted with two modelling techniques. Location Two distinct geographical study areas in Switzerland and Austria, in the subalpine and alpine belts. Methods Generalized linear and generalized additive models (GLM and GAM) with a binomial probability distribution and a logit link were fitted for 54 plant species, based on topoclimatic predictor variables. These models were then evaluated quantitatively and used for spatially explicit predictions within (internal evaluation and prediction) and between (external evaluation and prediction) the two regions. Comparisons of evaluations and spatial predictions between regions and models were conducted in order to test if species and methods meet the criteria of full transferability. By full transferability, we mean that: (1) the internal evaluation of models fitted in region A and B must be similar; (2) a model fitted in region A must at least retain a comparable external evaluation when projected into region B, and vice-versa; and (3) internal and external spatial predictions have to match within both regions. Results The measures of model fit are, on average, 24% higher for GAMs than for GLMs in both regions. However, the differences between internal and external evaluations (AUC coefficient) are also higher for GAMs than for GLMs (a difference of 30% for models fitted in Switzerland and 54% for models fitted in Austria). Transferability, as measured with the AUC evaluation, fails for 68% of the species in Switzerland and 55% in Austria for GLMs (respectively for 67% and 53% of the species for GAMs). For both GAMs and GLMs, the agreement between internal and external predictions is rather weak on average (Kulczynski's coefficient in the range 0.3-0.4), but varies widely among individual species. The dominant pattern is an asymmetrical transferability between the two study regions (a mean decrease of 20% for the AUC coefficient when the models are transferred from Switzerland and 13% when they are transferred from Austria). Main conclusions The large inter-specific variability observed among the 54 study species underlines the need to consider more than a few species to test properly the transferability of species distribution models. The pronounced asymmetry in transferability between the two study regions may be due to peculiarities of these regions, such as differences in the ranges of environmental predictors or the varied impact of land-use history, or to species-specific reasons like differential phenotypic plasticity, existence of ecotypes or varied dependence on biotic interactions that are not properly incorporated into niche-based models. The lower variation between internal and external evaluation of GLMs compared to GAMs further suggests that overfitting may reduce transferability. Overall, a limited geographical transferability calls for caution when projecting niche-based models for assessing the fate of species in future environments.

Climate change and plant distribution: local models predict high-elevation persistence

Mountain ecosystems will likely be affected by global warming during the 21st century, with substantial biodiversity loss predicted by species distribution models (SDMs). Depending on the geographic extent, elevation range and spatial resolution of data used in making these models, different rates of habitat loss have been predicted, with associated risk of species extinction. Few coordinated across-scale comparisons have been made using data of different resolution and geographic extent. Here, we assess whether climate-change induced habitat losses predicted at the European scale (10x10' grid cells) are also predicted from local scale data and modeling (25x25m grid cells) in two regions of the Swiss Alps. We show that local-scale models predict persistence of suitable habitats in up to 100% of species that were predicted by a European-scale model to lose all their suitable habitats in the area. Proportion of habitat loss depends on climate change scenario and study area. We find good agreement between the mismatch in predictions between scales and the fine-grain elevation range within 10x10' cells. The greatest prediction discrepancy for alpine species occurs in the area with the largest nival zone. Our results suggest elevation range as the main driver for the observed prediction discrepancies. Local scale projections may better reflect the possibility for species to track their climatic requirement toward higher elevations.

Introduction of snow and geomorphic disturbance variables into predictive models of alpine plant distribution in the Western Swiss Alps

Indirect topographic variables have been used successfully as surrogates for disturbance processes in plant species distribution models (SDM) in mountain environments. However, no SDM studies have directly tested the performance of disturbance variables. In this study, we developed two disturbance variables: a geomorphic index (GEO) and an index of snow redistribution by wind (SNOW). These were developed in order to assess how they improved both the fit and predictive power of presenceabsence SDM based on commonly used topoclimatic (TC) variables for 91 plants in the Western Swiss Alps. The individual contribution of the disturbance variables was compared to TC variables. Maps of models were prepared to spatially test the effect of disturbance variables. On average, disturbance variables significantly improved the fit but not the predictive power of the TC models and their individual contribution was weak (5.6% for GEO and 3.3% for SNOW). However their maximum individual contribution was important (24.7% and 20.7%). Finally, maps including disturbance variables (i) were significantly divergent from TC models in terms of predicted suitable surfaces and connectivity between potential habitats, and (ii) were interpreted as more ecologically relevant. Disturbance variables did not improve the transferability of models at the local scale in a complex mountain system, and the performance and contribution of these variables were highly species-specific. However, improved spatial projections and change in connectivity are important issues when preparing projections under climate change because the future range size of the species will determine the sensitivity to changing conditions.

Conservation of the Eurasian Lynx (Lynx lynx) in a fragmented landscape - habitat models, dispersal and potential distribution

Abstract: The expansion of a recovering population - whether re-introduced or spontaneously returning - is shaped by (i) biological (intrinsic) factors such as the land tenure system or dispersal, (ii) the distribution and availability of resources (e.g. prey), (iii) habitat and landscape features, and (iv) human attitudes and activities. In order to develop efficient conservation and recovery strategies, we need to understand all these factors and to predict the potential distribution and explore ways to reach it. An increased number of lynx in the north-western Swiss Alps in the nineties lead to a new controversy about the return of this cat. When the large carnivores were given legal protection in many European countries, most organizations and individuals promoting their protection did not foresee the consequences. Management plans describing how to handle conflicts with large predators are needed to find a balance between "overabundance" and extinction. Wildlife and conservation biologists need to evaluate the various threats confronting populations so that adequate management decisions can be taken. I developed a GIS probability model for the lynx, based on habitat information and radio-telemetry data from the Swiss Jura Mountains, in order to predict the potential distribution of the lynx in this mountain range, which is presently only partly occupied by lynx. Three of the 18 variables tested for each square kilometre describing land use, vegetation, and topography, qualified to predict the probability of lynx presence. The resulting map was evaluated with data from dispersing subadult lynx. Young lynx that were not able to establish home ranges in what was identified as good lynx habitat did not survive their first year of independence, whereas the only one that died in good lynx habitat was illegally killed. Radio-telemetry fixes are often used as input data to calibrate habitat models. Radio-telemetry is the only way to gather accurate and unbiased data on habitat use of elusive larger terrestrial mammals. However, it is time consuming and expensive, and can therefore only be applied in limited areas. Habitat models extrapolated over large areas can in turn be problematic, as habitat characteristics and availability may change from one area to the other. I analysed the predictive power of Ecological Niche Factor Analysis (ENFA) in Switzerland with the lynx as focal species. According to my results, the optimal sampling strategy to predict species distribution in an Alpine area lacking available data would be to pool presence cells from contrasted regions (Jura Mountains, Alps), whereas in regions with a low ecological variance (Jura Mountains), only local presence cells should be used for the calibration of the model. Dispersal influences the dynamics and persistence of populations, the distribution and abundance of species, and gives the communities and ecosystems their characteristic texture in space and time. Between 1988 and 2001, the spatio-temporal behaviour of subadult Eurasian lynx in two re-introduced populations in Switzerland was studied, based on 39 juvenile lynx of which 24 were radio-tagged to understand the factors influencing dispersal. Subadults become independent from their mothers at the age of 8-11 months. No sex bias neither in the dispersal rate nor in the distance moved was detected. Lynx are conservative dispersers, compared to bear and wolf, and settled within or close to known lynx occurrences. Dispersal distances reached in the high lynx density population - shorter than those reported in other Eurasian lynx studies - are limited by habitat restriction hindering connections with neighbouring metapopulations. I postulated that high lynx density would lead to an expansion of the population and validated my predictions with data from the north-western Swiss Alps where about 1995 a strong increase in lynx abundance took place. The general hypothesis that high population density will foster the expansion of the population was not confirmed. This has consequences for the re-introduction and recovery of carnivores in a fragmented landscape. To establish a strong source population in one place might not be an optimal strategy. Rather, population nuclei should be founded in several neighbouring patches. Exchange between established neighbouring subpopulations will later on take place, as adult lynx show a higher propensity to cross barriers than subadults. To estimate the potential population size of the lynx in the Jura Mountains and to assess possible corridors between this population and adjacent areas, I adapted a habitat probability model for lynx distribution in the Jura Mountains with new environmental data and extrapolated it over the entire mountain range. The model predicts a breeding population ranging from 74-101 individuals and from 51-79 individuals when continuous habitat patches < 50 km2 are disregarded. The Jura Mountains could once be part of a metapopulation, as potential corridors exist to the adjoining areas (Alps, Vosges Mountains, and Black Forest). Monitoring of the population size, spatial expansion, and the genetic surveillance in the Jura Mountains must be continued, as the status of the population is still critical. ENFA was used to predict the potential distribution of lynx in the Alps. The resulting model divided the Alps into 37 suitable habitat patches ranging from 50 to 18,711 km2, covering a total area of about 93,600 km2. When using the range of lynx densities found in field studies in Switzerland, the Alps could host a population of 961 to 1,827 residents. The results of the cost-distance analysis revealed that all patches were within the reach of dispersing lynx, as the connection costs were in the range of dispersal cost of radio-tagged subadult lynx moving through unfavorable habitat. Thus, the whole Alps could once be considered as a metapopulation. But experience suggests that only few disperser will cross unsuitable areas and barriers. This low migration rate may seldom allow the spontaneous foundation of new populations in unsettled areas. As an alternative to natural dispersal, artificial transfer of individuals across the barriers should be considered. Wildlife biologists can play a crucial role in developing adaptive management experiments to help managers learning by trial. The case of the lynx in Switzerland is a good example of a fruitful cooperation between wildlife biologists, managers, decision makers and politician in an adaptive management process. This cooperation resulted in a Lynx Management Plan which was implemented in 2000 and updated in 2004 to give the cantons directives on how to handle lynx-related problems. This plan was put into practice e.g. in regard to translocation of lynx into unsettled areas. Résumé: L'expansion d'une population en phase de recolonisation, qu'elle soit issue de réintroductions ou d'un retour naturel dépend 1) de facteurs biologiques tels que le système social et le mode de dispersion, 2) de la distribution et la disponibilité des ressources (proies), 3) de l'habitat et des éléments du paysage, 4) de l'acceptation de l'espèce par la population locale et des activités humaines. Afin de pouvoir développer des stratégies efficaces de conservation et de favoriser la recolonisation, chacun de ces facteurs doit être pris en compte. En plus, la distribution potentielle de l'espèce doit pouvoir être déterminée et enfin, toutes les possibilités pour atteindre les objectifs, examinées. La phase de haute densité que la population de lynx a connue dans les années nonante dans le nord-ouest des Alpes suisses a donné lieu à une controverse assez vive. La protection du lynx dans de nombreux pays européens, promue par différentes organisations, a entraîné des conséquences inattendues; ces dernières montrent que tout plan de gestion doit impérativement indiquer des pistes quant à la manière de gérer les conflits, tout en trouvant un équilibre entre l'extinction et la surabondance de l'espèce. Les biologistes de la conservation et de la faune sauvage doivent pour cela évaluer les différents risques encourus par les populations de lynx, afin de pouvoir rapidement prendre les meilleuresmdécisions de gestion. Un modèle d'habitat pour le lynx, basé sur des caractéristiques de l'habitat et des données radio télémétriques collectées dans la chaîne du Jura, a été élaboré afin de prédire la distribution potentielle dans cette région, qui n'est que partiellement occupée par l'espèce. Trois des 18 variables testées, décrivant pour chaque kilomètre carré l'utilisation du sol, la végétation ainsi que la topographie, ont été retenues pour déterminer la probabilité de présence du lynx. La carte qui en résulte a été comparée aux données télémétriques de lynx subadultes en phase de dispersion. Les jeunes qui n'ont pas pu établir leur domaine vital dans l'habitat favorable prédit par le modèle n'ont pas survécu leur première année d'indépendance alors que le seul individu qui est mort dans l'habitat favorable a été braconné. Les données radio-télémétriques sont souvent utilisées pour l'étalonnage de modèles d'habitat. C'est un des seuls moyens à disposition qui permette de récolter des données non biaisées et précises sur l'occupation de l'habitat par des mammifères terrestres aux moeurs discrètes. Mais ces méthodes de- mandent un important investissement en moyens financiers et en temps et peuvent, de ce fait, n'être appliquées qu'à des zones limitées. Les modèles d'habitat sont ainsi souvent extrapolés à de grandes surfaces malgré le risque d'imprécision, qui résulte des variations des caractéristiques et de la disponibilité de l'habitat d'une zone à l'autre. Le pouvoir de prédiction de l'Analyse Ecologique de la Niche (AEN) dans les zones où les données de présence n'ont pas été prises en compte dans le calibrage du modèle a été analysée dans le cas du lynx en Suisse. D'après les résultats obtenus, la meilleure mé- thode pour prédire la distribution du lynx dans une zone alpine dépourvue d'indices de présence est de combiner des données provenant de régions contrastées (Alpes, Jura). Par contre, seules les données sur la présence locale de l'espèce doivent être utilisées pour les zones présentant une faible variance écologique tel que le Jura. La dispersion influence la dynamique et la stabilité des populations, la distribution et l'abondance des espèces et détermine les caractéristiques spatiales et temporelles des communautés vivantes et des écosystèmes. Entre 1988 et 2001, le comportement spatio-temporel de lynx eurasiens subadultes de deux populations réintroduites en Suisse a été étudié, basé sur le suivi de 39 individus juvéniles dont 24 étaient munis d'un collier émetteur, afin de déterminer les facteurs qui influencent la dispersion. Les subadultes se sont séparés de leur mère à l'âge de 8 à 11 mois. Le sexe n'a pas eu d'influence sur le nombre d'individus ayant dispersés et la distance parcourue au cours de la dispersion. Comparé à l'ours et au loup, le lynx reste très modéré dans ses mouvements de dispersion. Tous les individus ayant dispersés se sont établis à proximité ou dans des zones déjà occupées par des lynx. Les distances parcourues lors de la dispersion ont été plus courtes pour la population en phase de haute densité que celles relevées par les autres études de dispersion du lynx eurasien. Les zones d'habitat peu favorables et les barrières qui interrompent la connectivité entre les populations sont les principales entraves aux déplacements, lors de la dispersion. Dans un premier temps, nous avons fait l'hypothèse que les phases de haute densité favorisaient l'expansion des populations. Mais cette hypothèse a été infirmée par les résultats issus du suivi des lynx réalisé dans le nord-ouest des Alpes, où la population connaissait une phase de haute densité depuis 1995. Ce constat est important pour la conservation d'une population de carnivores dans un habitat fragmenté. Ainsi, instaurer une forte population source à un seul endroit n'est pas forcément la stratégie la plus judicieuse. Il est préférable d'établir des noyaux de populations dans des régions voisines où l'habitat est favorable. Des échanges entre des populations avoisinantes pourront avoir lieu par la suite car les lynx adultes sont plus enclins à franchir les barrières qui entravent leurs déplacements que les individus subadultes. Afin d'estimer la taille de la population de lynx dans le Jura et de déterminer les corridors potentiels entre cette région et les zones avoisinantes, un modèle d'habitat a été utilisé, basé sur un nouveau jeu de variables environnementales et extrapolé à l'ensemble du Jura. Le modèle prédit une population reproductrice de 74 à 101 individus et de 51 à 79 individus lorsque les surfaces d'habitat d'un seul tenant de moins de 50 km2 sont soustraites. Comme des corridors potentiels existent effectivement entre le Jura et les régions avoisinantes (Alpes, Vosges, et Forêt Noire), le Jura pourrait faire partie à l'avenir d'une métapopulation, lorsque les zones avoisinantes seront colonisées par l'espèce. La surveillance de la taille de la population, de son expansion spatiale et de sa structure génétique doit être maintenue car le statut de cette population est encore critique. L'AEN a également été utilisée pour prédire l'habitat favorable du lynx dans les Alpes. Le modèle qui en résulte divise les Alpes en 37 sous-unités d'habitat favorable dont la surface varie de 50 à 18'711 km2, pour une superficie totale de 93'600 km2. En utilisant le spectre des densités observées dans les études radio-télémétriques effectuées en Suisse, les Alpes pourraient accueillir une population de lynx résidents variant de 961 à 1'827 individus. Les résultats des analyses de connectivité montrent que les sous-unités d'habitat favorable se situent à des distances telles que le coût de la dispersion pour l'espèce est admissible. L'ensemble des Alpes pourrait donc un jour former une métapopulation. Mais l'expérience montre que très peu d'individus traverseront des habitats peu favorables et des barrières au cours de leur dispersion. Ce faible taux de migration rendra difficile toute nouvelle implantation de populations dans des zones inoccupées. Une solution alternative existe cependant : transférer artificiellement des individus d'une zone à l'autre. Les biologistes spécialistes de la faune sauvage peuvent jouer un rôle important et complémentaire pour les gestionnaires de la faune, en les aidant à mener des expériences de gestion par essai. Le cas du lynx en Suisse est un bel exemple d'une collaboration fructueuse entre biologistes de la faune sauvage, gestionnaires, organes décisionnaires et politiciens. Cette coopération a permis l'élaboration du Concept Lynx Suisse qui est entré en vigueur en 2000 et remis à jour en 2004. Ce plan donne des directives aux cantons pour appréhender la problématique du lynx. Il y a déjà eu des applications concrètes sur le terrain, notamment par des translocations d'individus dans des zones encore inoccupées.

Effects of sample size on the performance of species distribution models

A wide range of modelling algorithms is used by ecologists, conservation practitioners, and others to predict species ranges from point locality data. Unfortunately, the amount of data available is limited for many taxa and regions, making it essential to quantify the sensitivity of these algorithms to sample size. This is the first study to address this need by rigorously evaluating a broad suite of algorithms with independent presence-absence data from multiple species and regions. We evaluated predictions from 12 algorithms for 46 species (from six different regions of the world) at three sample sizes (100, 30, and 10 records). We used data from natural history collections to run the models, and evaluated the quality of model predictions with area under the receiver operating characteristic curve (AUC). With decreasing sample size, model accuracy decreased and variability increased across species and between models. Novel modelling methods that incorporate both interactions between predictor variables and complex response shapes (i.e. GBM, MARS-INT, BRUTO) performed better than most methods at large sample sizes but not at the smallest sample sizes. Other algorithms were much less sensitive to sample size, including an algorithm based on maximum entropy (MAXENT) that had among the best predictive power across all sample sizes. Relative to other algorithms, a distance metric algorithm (DOMAIN) and a genetic algorithm (OM-GARP) had intermediate performance at the largest sample size and among the best performance at the lowest sample size. No algorithm predicted consistently well with small sample size (n < 30) and this should encourage highly conservative use of predictions based on small sample size and restrict their use to exploratory modelling.

A multi-temporal approach to model endangered species distribution in Europe: the case of the Eurasian otter in Italy

We analysed the relationship between changes in land cover patterns and the Eurasian otter occurrence over the course of about 20 years (1985-2006) using multi-temporal Species Distribution Models (SDMs). The study area includes five river catchments covering most of the otter's Italian range. Land cover and topographic data were used as proxies of the ecological requirements of the otter within a 300-m buffer around river courses. We used species presence, pseudo-absence data, and environmental predictors to build past (1985) and current (2006) SDMs by applying an ensemble procedure through the BIOMOD modelling package. The performance of each model was evaluated by measuring the area under the curve (AUC) of the receiver-operating characteristic (ROC). Multi-temporal analyses of species distribution and land cover maps were performed by comparing the maps produced for 1985 and 2006. The ensemble procedure provided a good overall modelling accuracy, revealing that elevation and slope affected the otter's distribution in the past; in contrast, land cover predictors, such as cultivations and forests, were more important in the present period. During the transition period, 20.5% of the area became suitable, with 76% of the new otter presence data being located in these newly available areas. The multi-temporal analysis suggested that the quality of otter habitat improved in the last 20 years owing to the expansion of forests and to the reduction of cultivated fields in riparian belts. The evidence presented here stresses the great potential of riverine habitat restoration and environmental management for the future expansion of the otter in Italy