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.

Senescence rates are determined by ranking on the fast-slow life-history continuum.

Comparative analyses of survival senescence by using life tables have identified generalizations including the observation that mammals senesce faster than similar-sized birds. These generalizations have been challenged because of limitations of life-table approaches and the growing appreciation that senescence is more than an increasing probability of death. Without using life tables, we examine senescence rates in annual individual fitness using 20 individual-based data sets of terrestrial vertebrates with contrasting life histories and body size. We find that senescence is widespread in the wild and equally likely to occur in survival and reproduction. Additionally, mammals senesce faster than birds because they have a faster life history for a given body size. By allowing us to disentangle the effects of two major fitness components our methods allow an assessment of the robustness of the prevalent life-table approach. Focusing on one aspect of life history - survival or recruitment - can provide reliable information on overall senescence.

Elemental (C/N ratios) and isotopic (δ15N(org), δ13C(org)) compositions of sedimentary organic matter from a high-altitude mountain lake (Meidsee, 2661 m a.s.l., Switzerland): Implications for Lateglacial and Holocene Alpine landscape evolution

The deposition of Late Pleistocene and Holocene sediments in the high-altitude lake Meidsee (located at an altitude of 2661 m a.s.l. in the Southwestern Alps) strikingly coincided with global ice-sheet and mountain-glacier decay in the Alpine forelands and the formation of perialpine lakes. Radiocarbon ages of bottom-core sediments point out (pre-) Holocene ice retreat below 2700 m a.s.l., at about 16, 13, 10, and 9 cal. kyr BP. The Meidsee sedimentary record therefore provides information about the high-altitude Alpine landscape evolution since the Late Pleistocene/Holocene deglaciation in the Swiss Southwestern Alps. Prior to 5 cal. kyr BP, the C/N ratio and the isotopic composition of sedimentary organic matter (delta N-15(org), delta C-13(org)) indicate the deposition of algal-derived organic matter with limited input of terrestrial organic matter. The early Holocene and the Holocene climatic optimum (between 7.0 and 5.5 cal. kyr BP) were characterized by low erosion (decreasing magnetic susceptibility, chi) and high content of organic matter (C-org > 13 wt.%), enriched in C-13(org) (>-18 parts per thousand) with a low C/N (similar to 10) ratio, typical of modern algal matter derived from in situ production. During the late Holocene, there was a long-term increasing contribution of terrestrial organic matter into the lake (C/N > 11), with maxima between 2.4 and 0.9 cal. kyr BP. A major environmental change took place 800 years ago, with an abrupt decrease in the relative contribution of terrestrial organic material into the lake compared with aquatic organic material which subsequently largely dominated (C/N drop from 16 to 10). Nonetheless, this event was marked by a rise in soil erosion (chi), in nutrients input (N and P contents) and in anthropogenic lead deposition, suggesting a human disturbance of Alpine ecosystems 800 years ago. Indeed, this time period coincided with the migration of the Walser Alemannic people in the region, who settled at relatively high altitude in the Southwestern Alps for farming and maintaining Alpine passes.

CR1Dmod: A Matlab program to model 1D complex resistivity effects in electrical and electromagnetic surveys

We have constructed a forward modelling code in Matlab, capable of handling several commonly used electrical and electromagnetic methods in a 1D environment. We review the implemented electromagnetic field equations for grounded wires, frequency and transient soundings and present new solutions in the case of a non-magnetic first layer. The CR1Dmod code evaluates the Hankel transforms occurring in the field equations using either the Fast Hankel Transform based on digital filter theory, or a numerical integration scheme applied between the zeros of the Bessel function. A graphical user interface allows easy construction of 1D models and control of the parameters. Modelling results are in agreement with other authors, but the time of computation is less efficient than other available codes. Nevertheless, the CR1Dmod routine handles complex resistivities and offers solutions based on the full EM-equations as well as the quasi-static approximation. Thus, modelling of effects based on changes in the magnetic permeability and the permittivity is also possible.

Sediment budget monitoring of a debris-flow torrent (French Prealps)

The Manival near Grenoble (French Prealps) is a very active debris-flow torrent equipped with a large sediment trap (25 000 m3) protecting an urbanized alluvial fan from debris-flows. We began monitoring the sediment budget of the catchment controlled by the trap in Spring 2009. Terrestrial laser scanner is used for monitoring topographic changes in a small gully, the main channel, and the sediment trap. In the main channel, 39 cross-sections are surveyed after every event. Three periods of intense geomorphic activity are documented here. The first was induced by a convective storm in August 2009 which triggered a debris-flow that deposited ~1,800 m3 of sediment in the trap. The debris-flow originated in the upper reach of the main channel and our observations showed that sediment outputs were entirely supplied by channel scouring. Hillslope debris-flows were initiated on talus slopes, as revealed by terrestrial LiDAR resurveys; however they were disconnected to the main channel. The second and third periods of geomorphic activity were induced by long duration and low intensity rainfall events in September and October 2009 which generate small flow events with intense bedload transport. These events contribute to recharge the debris-flow channel with sediments by depositing important gravel dunes propagating from headwaters. The total recharge in the torrent subsequent to bedload transport events was estimated at 34% of the sediment erosion induced by the August debris-flow.

The diet of the Alpine mouse Apodemus alpicola in the Swiss Alps

In this study, we used faecal analysis to determine the diet of the alpine mouse Apodemus alpicola in the field for the first time. This species consumes mainly insects in spring and fruits and seeds of small herbaceous dicotyledons in summer and autumn. Compared to the two congeneric species A. flavicollis and A. sylvaticus, which also occur in the Alps, the diet of A. alpicola is rich in contrasts, with a very pronounced difference between spring and summer. The absence of tree seeds also suggests a mostly terrestrial behaviour. We explain these facts by the specificity of the habitat of A. alpicola: the extreme weather conditions produce great seasonal changes in the vegetation, and the rocky ground favours the adaptation to rock climbing rather than to arboreal Living. (c) 2005 Elsevier GmbH. All rights reserved.

Trophic resource partitioning and competition between the two sibling bat species Myotis myotis and Myotis blythii

1. Niche theory predicts that the stable coexistence of species within a guild should be associated, if resources are limited, with a mechanism of resource partitioning. Using extensive data on diets, the present study attempts: (i) to test the hypothesis that, in sympatry, the interspecific overlap between the trophic niches of the sibling bat species Myotis myotis and M. blythii-which coexist intimately in their roosts-is effectively lower than the two intraspecific overlaps; (ii) to assess the role played by interspecific competition in resource partitioning through the study of trophic niche displacement between several sympatric and allopatric populations. 2. Diets were determined by the analysis of faecal samples collected in the field from individual bats captured in various geographical areas. Trophic niche overlaps were calculated monthly for all possible intraspecific and interspecific pairs of individuals from sympatric populations. Niche breadth was estimated from: (i) every faecal sample; (ii) all the faecal samples collected per month in a given population (geographical area). 3. In every population, the bulk of the diets of M. myotis and M. blythii consisted of, respectively, terrestrial (e.g. carabid beetles) and grass-dwelling (mostly bush crickets) prey. All intraspecific trophic niche overlaps were significantly greater than the interspecific one, except in Switzerland in May when both species exploited mass concentrations of cockchafers, a non-limiting food source. This clearcut partitioning of resources may allow the stable, intimate coexistence observed under sympatric conditions. 4. Relative proportions of ground-and grass-dwelling prey, as well as niche breadths (either individual or population), did not differ significantly between sympatry and allopatry, showing that, under allopatric conditions, niche expansion does not take place. This suggests that active interspecific competition is not the underlying mechanism responsible for the niche partitioning which is currently observed between M. myotis and M. blythii.

Maintenance of biodiversity in vineyard-dominated landscapes: a case study on larval salamanders

Alteration of natural habitats as a result of agricultural intensification is detrimental for wildlife. There is, however, growing evidence that land use and management can be wildlife friendly. In Europe, agricultural areas cover two-thirds of the land and therefore play a major role in maintaining biodiversity. Agricultural land use is very intense in vineyard-dominated landscapes but there are no refuges for wildlife in the form of ecological compensation areas. In our study, we assessed spatial variation in abundance of salamander (Salamandra salamandra) larvae in relation to land use and stream characteristics in vineyard-dominated landscapes. Abundance of larval salamanders depended positively on weirs, amount of riparian vegetation along the streams and environment-friendly agricultural practice in the vineyards. Surprisingly, road density also had positive effects, presumably through indirect effects (stone walls along roads may serve as refugia). Thus, abundance is determined by characteristics of both the aquatic and terrestrial habitats. Our results suggest that fire salamanders can persist in landscapes dominated by intensive agriculture like viticulture, indicate wildlife-friendly management options and highlight that man-made habitat can be valuable for wildlife.

A frequency distribution approach to hotspot identification

We present a new global method for the identification of hotspots in conservation and ecology. The method is based on the identification of spatial structure properties through cumulative relative frequency distributions curves, and is tested with two case studies, the identification of fish density hotspots and terrestrial vertebrate species diversity hotspots. Results from the frequency distribution method are compared with those from standard techniques among local, partially local and global methods. Our approach offers the main advantage to be independent from the selection of any threshold, neighborhood, or other parameter that affect most of the currently available methods for hotspot analysis. The two case studies show how such elements of arbitrariness of the traditional methods influence both size and location of the identified hotspots, and how this new global method can be used for a more objective selection of hotspots.

Sediment budget monitoring of debris-flow and bedload transport in the Manival Torrent, SE France

Steep mountain catchments typically experience large sediment pulses from hillslopes which are stored in headwater channels and remobilized by debris-flows or bedload transport. Event-based sediment budget monitoring in the active Manival debris-flow torrent in the French Alps during a two-year period gave insights into the catchment-scale sediment routing during moderate rainfall intensities which occur several times each year. The monitoring was based on intensive topographic resurveys of low- and high-order channels using different techniques (cross-section surveys with total station and high-resolution channel surveys with terrestrial and airborne laser scanning). Data on sediment output volumes from the main channel were obtained by a sediment trap. Two debris-flows were observed, as well as several bedload transport flow events. Sediment budget analysis of the two debris-flows revealed that most of the debris-flow volumes were supplied by channel scouring (more than 92%). Bedload transport during autumn contributed to the sediment recharge of high-order channels by the deposition of large gravel wedges. This process is recognized as being fundamental for debris-flow occurrence during the subsequent spring and summer. A time shift of scour-and-fill sequences was observed between low- and high-order channels, revealing the discontinuous sediment transfer in the catchment during common flow events. A conceptual model of sediment routing for different event magnitude is proposed.

Linking landscape- and population ecology for large population management modelling: the case of Ibex (capra ibex) in Switzerland

La biologie de la conservation est communément associée à la protection de petites populations menacées d?extinction. Pourtant, il peut également être nécessaire de soumettre à gestion des populations surabondantes ou susceptibles d?une trop grande expansion, dans le but de prévenir les effets néfastes de la surpopulation. Du fait des différences tant quantitatives que qualitatives entre protection des petites populations et contrôle des grandes, il est nécessaire de disposer de modèles et de méthodes distinctes. L?objectif de ce travail a été de développer des modèles prédictifs de la dynamique des grandes populations, ainsi que des logiciels permettant de calculer les paramètres de ces modèles et de tester des scénarios de gestion. Le cas du Bouquetin des Alpes (Capra ibex ibex) - en forte expansion en Suisse depuis sa réintroduction au début du XXème siècle - servit d?exemple. Cette tâche fut accomplie en trois étapes : En premier lieu, un modèle de dynamique locale, spécifique au Bouquetin, fut développé : le modèle sous-jacent - structuré en classes d?âge et de sexe - est basé sur une matrice de Leslie à laquelle ont été ajoutées la densité-dépendance, la stochasticité environnementale et la chasse de régulation. Ce modèle fut implémenté dans un logiciel d?aide à la gestion - nommé SIM-Ibex - permettant la maintenance de données de recensements, l?estimation automatisée des paramètres, ainsi que l?ajustement et la simulation de stratégies de régulation. Mais la dynamique d?une population est influencée non seulement par des facteurs démographiques, mais aussi par la dispersion et la colonisation de nouveaux espaces. Il est donc nécessaire de pouvoir modéliser tant la qualité de l?habitat que les obstacles à la dispersion. Une collection de logiciels - nommée Biomapper - fut donc développée. Son module central est basé sur l?Analyse Factorielle de la Niche Ecologique (ENFA) dont le principe est de calculer des facteurs de marginalité et de spécialisation de la niche écologique à partir de prédicteurs environnementaux et de données d?observation de l?espèce. Tous les modules de Biomapper sont liés aux Systèmes d?Information Géographiques (SIG) ; ils couvrent toutes les opérations d?importation des données, préparation des prédicteurs, ENFA et calcul de la carte de qualité d?habitat, validation et traitement des résultats ; un module permet également de cartographier les barrières et les corridors de dispersion. Le domaine d?application de l?ENFA fut exploré par le biais d?une distribution d?espèce virtuelle. La comparaison à une méthode couramment utilisée pour construire des cartes de qualité d?habitat, le Modèle Linéaire Généralisé (GLM), montra qu?elle était particulièrement adaptée pour les espèces cryptiques ou en cours d?expansion. Les informations sur la démographie et le paysage furent finalement fusionnées en un modèle global. Une approche basée sur un automate cellulaire fut choisie, tant pour satisfaire aux contraintes du réalisme de la modélisation du paysage qu?à celles imposées par les grandes populations : la zone d?étude est modélisée par un pavage de cellules hexagonales, chacune caractérisée par des propriétés - une capacité de soutien et six taux d?imperméabilité quantifiant les échanges entre cellules adjacentes - et une variable, la densité de la population. Cette dernière varie en fonction de la reproduction et de la survie locale, ainsi que de la dispersion, sous l?influence de la densité-dépendance et de la stochasticité. Un logiciel - nommé HexaSpace - fut développé pour accomplir deux fonctions : 1° Calibrer l?automate sur la base de modèles de dynamique (par ex. calculés par SIM-Ibex) et d?une carte de qualité d?habitat (par ex. calculée par Biomapper). 2° Faire tourner des simulations. Il permet d?étudier l?expansion d?une espèce envahisseuse dans un paysage complexe composé de zones de qualité diverses et comportant des obstacles à la dispersion. Ce modèle fut appliqué à l?histoire de la réintroduction du Bouquetin dans les Alpes bernoises (Suisse). SIM-Ibex est actuellement utilisé par les gestionnaires de la faune et par les inspecteurs du gouvernement pour préparer et contrôler les plans de tir. Biomapper a été appliqué à plusieurs espèces (tant végétales qu?animales) à travers le Monde. De même, même si HexaSpace fut initialement conçu pour des espèces animales terrestres, il pourrait aisément être étndu à la propagation de plantes ou à la dispersion d?animaux volants. Ces logiciels étant conçus pour, à partir de données brutes, construire un modèle réaliste complexe, et du fait qu?ils sont dotés d?une interface d?utilisation intuitive, ils sont susceptibles de nombreuses applications en biologie de la conservation. En outre, ces approches peuvent également s?appliquer à des questions théoriques dans les domaines de l?écologie des populations et du paysage.<br/><br/>Conservation biology is commonly associated to small and endangered population protection. Nevertheless, large or potentially large populations may also need human management to prevent negative effects of overpopulation. As there are both qualitative and quantitative differences between small population protection and large population controlling, distinct methods and models are needed. The aim of this work was to develop theoretical models to predict large population dynamics, as well as computer tools to assess the parameters of these models and to test management scenarios. The alpine Ibex (Capra ibex ibex) - which experienced a spectacular increase since its reintroduction in Switzerland at the beginning of the 20th century - was used as paradigm species. This task was achieved in three steps: A local population dynamics model was first developed specifically for Ibex: the underlying age- and sex-structured model is based on a Leslie matrix approach with addition of density-dependence, environmental stochasticity and culling. This model was implemented into a management-support software - named SIM-Ibex - allowing census data maintenance, parameter automated assessment and culling strategies tuning and simulating. However population dynamics is driven not only by demographic factors, but also by dispersal and colonisation of new areas. Habitat suitability and obstacles modelling had therefore to be addressed. Thus, a software package - named Biomapper - was developed. Its central module is based on the Ecological Niche Factor Analysis (ENFA) whose principle is to compute niche marginality and specialisation factors from a set of environmental predictors and species presence data. All Biomapper modules are linked to Geographic Information Systems (GIS); they cover all operations of data importation, predictor preparation, ENFA and habitat suitability map computation, results validation and further processing; a module also allows mapping of dispersal barriers and corridors. ENFA application domain was then explored by means of a simulated species distribution. It was compared to a common habitat suitability assessing method, the Generalised Linear Model (GLM), and was proven better suited for spreading or cryptic species. Demography and landscape informations were finally merged into a global model. To cope with landscape realism and technical constraints of large population modelling, a cellular automaton approach was chosen: the study area is modelled by a lattice of hexagonal cells, each one characterised by a few fixed properties - a carrying capacity and six impermeability rates quantifying exchanges between adjacent cells - and one variable, population density. The later varies according to local reproduction/survival and dispersal dynamics, modified by density-dependence and stochasticity. A software - named HexaSpace - was developed, which achieves two functions: 1° Calibrating the automaton on the base of local population dynamics models (e.g., computed by SIM-Ibex) and a habitat suitability map (e.g. computed by Biomapper). 2° Running simulations. It allows studying the spreading of an invading species across a complex landscape made of variously suitable areas and dispersal barriers. This model was applied to the history of Ibex reintroduction in Bernese Alps (Switzerland). SIM-Ibex is now used by governmental wildlife managers to prepare and verify culling plans. Biomapper has been applied to several species (both plants and animals) all around the World. In the same way, whilst HexaSpace was originally designed for terrestrial animal species, it could be easily extended to model plant propagation or flying animals dispersal. As these softwares were designed to proceed from low-level data to build a complex realistic model and as they benefit from an intuitive user-interface, they may have many conservation applications. Moreover, theoretical questions in the fields of population and landscape ecology might also be addressed by these approaches.

Investigation phytochimique des plantes aquatiques Potamogeton pectinatus L., P. lucens L., P. perfoliatus L. et P. crispus L. (Potamogetonaceae)

Dans le cadre de la recherche de nouveaux composés naturels, les métabolites secondaires de plantes aquatiques indigènes, les potamots Potamogeton pectinatus L., P. lucens L., P. perfoliatus L. et P. crispus L. (Potamogetonaceae), ont été étudiés. Par leur position écologique et évolutive particulière entre environnement terrestre et aquatique, les plantes aquatiques ou macrophytes pourraient en effet avoir sélectionné des composés avec des caractéristiques originales. Les extraits dichlorométhaniques (apolaires) des potamots ont été analysés par HPLCUV, HPLC-MS, HPLC-RMN et GC-MS, et testés contre diverses cibles biologiques. Sur la base de ces résultats, les extraits apolaires de P. pectinatus et P. lucens ont été étudiés de manière plus approfondie. Ils ont été fractionnés sur des colonnes ouvertes et par VLC, LPLC, MPLC, CPC et HPLC semi-préparative. Une partie de leurs constituants ont été isolés et leurs structures déterminées par des méthodes spectroscopiques, en particulier par RMN et par MS. Quinze composés ont été ainsi isolés de P. pectinatus et P. lucens, dont sept sont des nouveaux produits naturels. Parmi ces quinze produits, neuf sont des diterpènes ent-labdanes contenant un noyau furane ou un groupe lactonique, dont six sont décrits ici pour la première fois. Certains de ces diterpènes ont montré une activité algicide, ce qui indique une de leurs fonctions possible dans les potamots, et un de ces labdanes, le méthyl-15,16-époxy-12-oxo-8(17),13(16),14-ent-labatrièn-19-oate, a également des propriétés anti-inflammatoires. Les composés présents dans les extraits méthanoliques (polaires) n?ont pas été isolés, mais quatorze d?entre eux ont pu être identifiés par HPLC-UV, HPLC-MS et HPLCRMN. Une majorité de ces constituants sont des flavonoïdes connus, des dérivés glycosylés de l?apigénine, la lutéoline et le chrysoériol, également présents en tant qu?aglycones. Plusieurs ent-labdanes glycosylés ont pu être également identifiés dans ces extraits, parmi lesquels un nouveau composé dont la structure a pu être partiellement déterminée. En conclusion, ce travail a permis de mieux connaître la phytochimie de plusieurs plantes aquatiques de Suisse, et d?isoler de nouveaux produits naturels avec des propriétés biologiques et pharmacologiques intéressantes.<br/><br/>The secondary metabolites of Swiss freshwater plants, the pondweeds Potamogeton pectinatus L., P. lucens L., P. perfoliatus L. and P. crispus L. (Potamogetonaceae), were investigated. Because of their peculiar habitat, in-between aquatic and terrestrial life, aquatic plants should produce secondary metabolites with original chemical or biological features. Their apolar extracts were analysed by HPLC-UV, HPLC-MS, HPLC-NMR and GCMS, and were tested with different bioassays. Based on these results, the apolar extracts of P. pectinatus and P. lucens were investigated more extensively. They were fractionated on open columns, and by VLC, LPLC, MPLC, CPC and semi-preparative HPLC. Their constituents were isolated and their structures elucidated by spectroscopic methods as MS and NMR. Fifteen compounds could be isolated from P. pectinatus and P. lucens, and seven were new natural products. Nine of them were ent-labdane diterpenes with a furan moiety or a lactone group, and six of these labdanes were reported here for the first time as natural products. Some of these diterpenes showed an algaecide effect. This activity indicated their potential ecological function in pondweeds. One compound, methyl-15,16-epoxy-12-oxo-8(17),13(16),14-ent-labatrien-19-oate, revealed also some anti-inflammatory properties. The constituents of polar extracts were not isolated, but fourteen of them could be identified by HPLC-UV, HPLC-MS and HPLC-NMR. The major part of these compounds was known flavonoids as apigenin, lutolin, chrysoeriol and their glycosylated derivatives. Several glycosylated ent-labdanes were also identified, and the structure of a new labdane dihexoside was partially elucidated. In conclusion this study allowed a better knowledge of the phytochemistry of Swiss aquatic plants, and the isolation of new natural products with interesting biological and pharmacological properties.

Phylogéographie des principales vipères européennes (Vipera ammodytes, V. aspis et V. berus), structuration génétique et multipaternité chez Vipera berus

Résumé: Les vipères du genre Vipera sont des serpents venimeux distribués dans la totalité du Paléarctique. Malgré cette répartition considérable, elles sont extrêmement menacées, leur déclin étant principalement dû à la destruction et à la fragmentation de leur habitat ainsi qu'à la persécution humaine. Afin d'apporter de nouveaux éléments dans le contexte de la protection de ce groupe de reptiles, nous avons utilisé durant ce travail de thèse différents marqueurs moléculaires pour étudier la structuration génétique à petite et à large échelle chez trois espèces appartenant au genre Vipera. La première étude, une phylogéographie moléculaire de la vipère ammodytes (Vipera ammodytes), a montré dans l'ensemble de l'aire de répartition une forte structuration génétique provenant d'isolements antérieures au Pléistocène. La présence d'un nombre important de clades dans le centre des Balkans suggère que cette région a fourni de nombreux refuges isolés durant les glaciations. Ces dernières ont également eu un impact considérable sur la diversité génétique au sein de la majorité des clades, suite à d'importants goulots d'étranglement durant le Pléistocène. L'étude de la phylogéographie de la vipère aspic (Vipera aspis) a montré une différenciation génétique entre les populations présentes de chaque côté des Alpes, mais également une forte structuration interne avec la mise en évidence d'un refuge en France. Cette étude est la première à établir clairement l'utilisation d'un refuge français pour un vertébré terrestre. La troisième partie de cette thèse a étudié la phylogéographie de la vipère péliade (Vipera berus), espèce cible de ce travail. En plus de la mise en évidence d'un groupe génétique inattendu (localisé dans le nord de l'Italie, le sud de l'Autriche, le nord de la Slovénie et l'extrême sud-est de la Suisse), la variabilité génétique au sein du groupe nordique (comprenant les animaux de l'entier de l'aire de répartition de l'espèce à l'exception des individus du groupe italien et les animaux provenant des Balkans) est suffisamment importante pour conclure à l'utilisation de refuges glaciaires nordiques durant les dernières glaciations, en complément des refuges habituellement décrits pour la majorité des espèces animales (soit les péninsules ibérique, italienne et balakanique). Ces résultats nous ont conduit à effectuer une étude morphologique (quatrième partie) comparant les vipères péliades du "clade italien" et du "clade nordique" décrits ci-dessus. Seules de petites différences morphologiques ont pu être mises en évidence, malgré une séparation de ces groupes estimée à plus d'un million d'années. Une étude à plus petite échelle, centrée sur le Massif jurassien et certaines populations alpines et françaises, a été entreprise afin d'estimer leur diversité génétique et d'évaluer la structuration génétique entre les populations à l'aide de marqueurs microsatellites (cinquième partie). Une importante structuration a été observée entre les populations distantes de plus de 3 kilomètres, la structuration entre les populations plus proches étant plus limitée. De plus, une diversité génétique plus faible dans les populations jurassiennes et alpines comparativement aux populations du massif central et de la côte atlantique a été constatée, probablement due à une perte de diversité génétique lors de la recolonisation post-glaciaire. La sixième étude s'est intéressée au succès reproducteur des mâles de vipères péliades en conditions naturelles. Une corrélation entre la taille des mâles et leur succès reproducteur a été relevée, les individus de plus grande taille ayant un succès reproducteur plus élevé. Le taux de multipaternité a aussi été investigué, démontrant que la proportion de pontes issues de plusieurs pères est élevée (69%) malgré la faible densité de vipères observée sur le site étudié. Finalement, aucun lien entre le nombre de pères au sein d'une ponte et la mortalité des jeunes à la naissance n'a pu être mis en évidence, contrastant avec des travaux précédents. En conclusion, l'observation de la structuration très marquée chez les vipères péliades devrait permettre d'affiner les méthodes de protection de l'espèce dans le massif jurassien. A plus large échelle, l'importante structuration génétique observée chez les vipères ammodytes, aspic et péliade résultant de l'utilisation de nombreux refuges glaciaires, complémentaires aux refuges habituellement utilisés par les espèces animales, démontre l'intérêt de l'analyse phylogéographique des reptiles pour la compréhension des phénomènes de colonisation et d' extinction des populations durant la fin du Tertiaire et le Quaternaire. La mise en évidence chez les différentes espèces de vipères étudiées de nombreux groupes génétiques distincts (ESUs) devrait conduire à des modifications de la taxonomie ainsi qu'au statut de protection de ces espèces. Abstract: The vipers of the genus Vipera are venomous snakes widespread throughout the Palaearctic regions. Despite a large distribution area, several species are extremely threatened, especially due to the destruction and fragmentation of their habitats, as well as by human persecution. In order to increase the knowledge on these species and to improve their protection, several molecular markers have been used to investigate the genetic structure on small and large scales, within three species of the genus Vipera. The first study, a molecular phylogeography of the nose-horned viper (Vipera ammodytes), showed a considerable structuring throughout the distribution area, due to isolation into refugia before the Pleistocene. A high number of clades in the centre of the Balkans suggests that this region harboured numerous isolated glacial refugia during the last glaciation. Moreover, low genetic diversity within several clades implies that most populations of nose-horned vipers have suffered bottlenecks during the Pleistocene. The study of the phylogeography of the asp viper (Vipera aspis) showed genetic differentiation between populations on each side of the Alps, as well as considerable internal genetic structure, suggesting the use of a glacial refugium in France. This study is the first to establish firmly the occurrence of a French refugia for a terrestrial vertebrate. The third part of this work involved a phylogeographic study of the adder (Vipera berus), the target species of this thesis. Three clades were revealed: a Balkan clade (corresponding to the subspecies V. b. sachalinensis), an unexpected Italian clade (limited to northern Italy, southern Austria, northern Slovenia and southeasternmost corner of Switzerland) and a Northern clade clade (including adders of the whole distribution area excepted animals from the Balkan and the Italian clades). The genetic variability within the Northern clade is sufficiently high to conclude that a northern glacial refugia during the last glaciation, in addition to those refugia already described for the main species (Iberian, Italian and Balkan peninsula). These results motivated a morphological study (part four) comparing the adders from the Italian and the Northern clades describe above. Only small morphological differences have been found, despite the split between these two clades have taken place more than 1 million years ago. A study on a local scale, focused on the Jura Mountains, on a few populations in the Alps and France was, performed to estimate the genetic diversity and the genetic structure between populations using microsatellite markers (part five). Considerable structure was observed between populations separated by more than 3 kilometres, whereas the structure between closer populations is less marked. Moreover, lower genetic diversity in the populations from Jura Mountains and Alps was noticed compared to populations from Massif Central of Atlantic coast. Such loss of genetic variation probably followed post-glacial recolonisation. The sixth study focused on the reproductive success of male adders in the wild. A positive correlation between body length and reproductive success was observed. Multiple paternity was also observed in most of clutches (69%) despite the low density of adders in the study area. Finally, no relationship was found between the number of fathers in a clutch and the survival of offspring at birth, contradicting previous studies. To conclude, the observation of a significant genetic structure in Vipera berus will enable recommendations to be made to improve protection of this species in the Jura Mountain. On a larger scale, the considerable genetic structure found within Vipera ammdoytes, V. aspis and V. berus, resulting from isolation in additional glacial refugia to those already described for other species, demonstrates the relevance of phylogeographic studies of reptiles to better understand the colonisation and disappearance during the last Tertiary and the Quaternary. The observation of several groups of evolutionary significant units (ESUs) within the three studied species might lead to a revision of the taxonomy, as well as their conservation status.

Extending the canopy flow model for natural, highly flexible macrophyte canopies

Flow structures above vegetation canopies have received much attention within terrestrial and aquatic literature. This research has led to a good process understanding of mean and turbulent canopy flow structure. However, much of this research has focused on rigid or semi-rigid vegetation with relatively simple morphology. Aquatic macrophytes differ from this form, exhibiting more complex morphologies, predominantly horizontal posture in the flow and a different force balance. While some recent studies have investigated such canopies, there is still the need to examine the relevance and applicability of general canopy layer theory to these types of vegetation. Here, we report on a range of numerical experiments, using both semi-rigid and highly flexible canopies. The results for the semi-rigid canopies support existing canopy layer theory. However, for the highly flexible vegetation, the flow pattern is much more complex and suggests that a new canopy model may be required.

Biological evidence supports an early and complex emergence of the Isthmus of Panama.

The linking of North and South America by the Isthmus of Panama had major impacts on global climate, oceanic and atmospheric currents, and biodiversity, yet the timing of this critical event remains contentious. The Isthmus is traditionally understood to have fully closed by ca. 3.5 million years ago (Ma), and this date has been used as a benchmark for oceanographic, climatic, and evolutionary research, but recent evidence suggests a more complex geological formation. Here, we analyze both molecular and fossil data to evaluate the tempo of biotic exchange across the Americas in light of geological evidence. We demonstrate significant waves of dispersal of terrestrial organisms at approximately ca. 20 and 6 Ma and corresponding events separating marine organisms in the Atlantic and Pacific oceans at ca. 23 and 7 Ma. The direction of dispersal and their rates were symmetrical until the last ca. 6 Ma, when northern migration of South American lineages increased significantly. Variability among taxa in their timing of dispersal or vicariance across the Isthmus is not explained by the ecological factors tested in these analyses, including biome type, dispersal ability, and elevation preference. Migration was therefore not generally regulated by intrinsic traits but more likely reflects the presence of emergent terrain several millions of years earlier than commonly assumed. These results indicate that the dramatic biotic turnover associated with the Great American Biotic Interchange was a long and complex process that began as early as the Oligocene-Miocene transition.