Ranking-Dominance Relation for (Evolutionary) Multi-Objective Optimization

An alternative relation to Pareto-dominance relation is proposed. The new relation is based on ranking a set of solutions according to each separate objective and an aggregation function to calculate a scalar fitness value for each solution. The relation is called as ranking-dominance and it tries to tackle the curse of dimensionality commonly observedin evolutionary multi-objective optimization. Ranking-dominance can beused to sort a set of solutions even for a large number of objectives when Pareto-dominance relation cannot distinguish solutions from one another anymore. This permits search to advance even with a large number of objectives. It is also shown that ranking-dominance does not violate Pareto-dominance. Results indicate that selection based on ranking-dominance is able to advance search towards the Pareto-front in some cases, where selection based on Pareto-dominance stagnates. However, in some cases it is also possible that search does not proceed into direction of Pareto-front because the ranking-dominance relation permits deterioration of individual objectives. Results also show that when the number of objectives increases, selection based on just Pareto-dominance without diversity maintenance is able to advance search better than with diversity maintenance. Therefore, diversity maintenance is connive at the curse of dimensionality.

Product Platform Development from the Product Lines' Perspective: Case of Switching Platform

In the era of fast product development and customized product requirements, the concept of product platform has proven its power in practice. The product platform approach has enabledcompanies to increase the speed of product introductions while simultaneously benefit from efficiency and effectiveness in the development and production activities. The product platforms are technological bases, which can be used to develop several derivative products, and hence, the differentiation can be pushed closer to the product introduction. The product platform development has some specific features, which differ somewhat from the product development of single products. The time horizon is longer, since the product platform¿slife cycle is longer than individual product's. The long time-horizon also proposes higher market risks and the use of new technologies increases the technological risks involved. The end-customer interface might be far away, but there is not a lack of needs aimed at the product platforms ¿ in fact, the product platform development is very much balancing between the varying needs set to it by thederivative products. This dissertation concentrated on product platform development from the internal product lines' perspective of a singlecase. Altogether six product platform development factors were identified: 'Strategic and business fit of product platform', 'Project communication and deliverables', 'Cooperation with product platform development', 'Innovativeness of product platform architecture and features', 'Reliability and quality of product platform', and 'Promised schedules and final product platform meeting the needs'. From the six factors, three were found to influence quite strongly the overall satisfaction, namely 'Strategic and business fit of product platform', 'Reliability and quality of product platform', and 'Promised schedules and final product platform meeting the needs'. Hence, these three factors might be the ones a new product platform development unit should concentrate first in order to satisfy their closest customers, the product lines. The 'Project communication and deliverables' and 'Innovativeness of product platform architecture and features' were weaker contributors to the overall satisfaction. Overall, the factors explained quite well the satisfaction of the product lines with product platform development. Along the research, several interesting aspects about the very basic nature of the product platform development were found. The long time horizon of the product platform development caused challenges in the area of strategic fIT - a conflict between the short-term requirements and long term needs. The fact that a product platform was used as basis of several derivative products resulted into varying needs, and hence the match with the needs and the strategies. The opinions, that the releases of the larger product lines were given higher priorities, give an interesting contribution to the strategy theory of powerand politics. The varying needs of the product lines, the strengths of them as well as large number of concurrent releases set requirements to prioritization. Hence, the research showed the complicated nature of the product platform development in the case unIT - the very basic nature of the product platform development might be its strength (gaining efficiency and effectiveness in product development and product launches) but also the biggest challenge (developing products to meet several needs). As a single case study, the results of this research are not directly generalizable to all the product platform development activities. Instead, the research serves best as a starting point for additional research as well as gives some insights about the factors and challengesof one product development unit.

Are Evaluation of ICTs Investment Using Decision Support Systems:Case Applications from Distributor's and End User's Perspective Group Decision

The evaluation of investments in advanced technology is one of the most important decision making tasks. The importance is even more pronounced considering the huge budget concerning the strategic, economic and analytic justification in order to shorten design and development time. Choosing the most appropriate technology requires an accurate and reliable system that can lead the decision makers to obtain such a complicated task. Currently, several Information and Communication Technologies (ICTs) manufacturers that design global products are seeking local firms to act as their sales and services representatives (called distributors) to the end user. At the same time, the end user or customer is also searching for the best possible deal for their investment in ICT's projects. Therefore, the objective of this research is to present a holistic decision support system to assist the decision maker in Small and Medium Enterprises (SMEs) - working either as individual decision makers or in a group - in the evaluation of the investment to become an ICT's distributor or an ICT's end user. The model is composed of the Delphi/MAH (Maximising Agreement Heuristic) Analysis, a well-known quantitative method in Group Support System (GSS), which is applied to gather the average ranking data from amongst Decision Makers (DMs). After that the Analytic Network Process (ANP) analysis is brought in to analyse holistically: it performs quantitative and qualitative analysis simultaneously. The illustrative data are obtained from industrial entrepreneurs by using the Group Support System (GSS) laboratory facilities at Lappeenranta University of Technology, Finland and in Thailand. The result of the research, which is currently implemented in Thailand, can provide benefits to the industry in the evaluation of becoming an ICT's distributor or an ICT's end user, particularly in the assessment of the Enterprise Resource Planning (ERP) programme. After the model is put to test with an in-depth collaboration with industrial entrepreneurs in Finland and Thailand, the sensitivity analysis is also performed to validate the robustness of the model. The contribution of this research is in developing a new approach and the Delphi/MAH software to obtain an analysis of the value of becoming an ERP distributor or end user that is flexible and applicable to entrepreneurs, who are looking for the most appropriate investment to become an ERP distributor or end user. The main advantage of this research over others is that the model can deliver the value of becoming an ERP distributor or end user in a single number which makes it easier for DMs to choose the most appropriate ERP vendor. The associated advantage is that the model can include qualitative data as well as quantitative data, as the results from using quantitative data alone can be misleading and inadequate. There is a need to utilise quantitative and qualitative analysis together, as can be seen from the case studies.

External Location Factors of Foreign Direct Investment in Russia – Finnish Perspective

Tämän diplomityön tavoitteena on selvittää, mitä alueellisia tekijöitä suomalaiset yritykset ottavat huomioon valitessaan sopivaa sijaintia suoralle investoinnille Venäjän sisällä. Muutamia yrityksen sisäisiä tekijöitä käytetään taustamuuttujina selittämään sijaintitekijöiden painotuksissa havaittavia eroja erilaisten yritysten välillä. Venäjän alueita vertaillaan lopuksi painotusten valossa. Työn ensimmäisessä osassa keskitytään suorien ulkomaisten investointien teoreettiseen taustaan. Aiempia tutkimuksia käydään läpi, jotta tekijät, joilla on havaittu olevan vaikutusta investointien sijoittumiseen maan sisällä, saadaan kartoitettua. Työn jälkimmäinen osa perustuu yrityskyselyn avulla kerättyyn empiiriseen aineistoon. Aineiston avulla selvitetään mitä tekijöitä suomalaisyritykset huomioivat sijaintipäätöstä tehdessään. Tulosten valossa on ilmeistä, että alueen markkinapotentiaali on suomalaisyrityksissä tärkein huomioitava tekijä investoinnin sijainnista päätettäessä. Myös infrastruktuuri ja kustannushyödyt vaikuttavat päätökseen. Erityyppisten yritysten painotukset ovat hyvin samanlaisia. Moskova ja Pietari vastaavat Venäjän alueista parhaiten suomalaisyritysten investoinnin sijainnille asettamia kriteerejä.

Integrating Financial Perspective to Quality Orientated Management System. Case: ALSTOM Finland Oy

Tutkimuksen päätavoitteena on tutkia taloudellisen näkökulman integroimista laatuajatteluun pohjautuvaan johtamisjärjestelmään esimerkkiyrityksessä. Johtamisjärjestelmän tulee tuottaa tietoa johdon strategiselle päätöksenteolle ja lisäksi täyttää laatujärjestelmän (ISO 9001:2000) asettamat vaatimukset. Tutkimuksen kohteena oleva työkalu on balanced scorecard (tasapainotettu tuloskortti). Työn tarkoituksena on ehdottaa balanced scorecard- talouden tunnuslukuja esimerkkiyritykselle. Tutkimuksen tavoitteisiin päästään empiiristä tutkimusta varten tehdyn teoreettisen viitekehyksen avulla. Empiiristä tutkimustietoa kerätään osallistuvan havainnoinnin, haastattelujen ja keskustelujen avulla. Tutkimusmenetelmänä on laadullinen case -tutkimus. Balanced scorecardin eri näkökulmille ehdotettiin tunnuslukuja empiirisen tutkimuksen pohjalta. Lisäksi talouden näkökulmaa tutkittiin tarkemmin. Tutkimuksen johtopäätöksenä esitettiin, että taloudelliset tunnusluvut mittaavat ensisijaisesti strategiaa eivätkä laatua. Lisäksi huomioitiin, että tuloskorttien tulisi olla koekäytössä ennen bonuspalkkauksen ja balanced scorecardin yhdistämistä.

Competitive Analysis of the Northwest Russian Transport Logistics Cluster – Finnish Perspective

Tutkimus tarkastelee Luoteis-Venäjän liikennelogistiikkaklusteria. Tarkoitus on selvittää klusterin nykyinen rakenne ja kilpailukyky sekä klusterin tarjoamat liiketoimintamahdollisuudet suomalaisille logistiikkayrityksille. Työssä käsitellään neljää perusliikennemuotoa: rautatie-, maantie-, meri- ja sisävesi-, sekä ilmaliikennettä. Tutkimuksen aineisto on kerätty tutkimusta varten laadituista kyselyistä, haastatteluista sekä aiemmin julkaistusta materiaalista. Venäjä on suunnitellut kehittävänsä voimakkaasti liikenneinfrastruktuuria, mm. julkaisemalla protektionistisen liikennestrategiasuunnitelman. Ongelmana ovat olleet toteutukset, jotka ovat jääneet yleensä puutteellisiksi. Tällä hetkellä todellista kilpailukykyä löytyy ainoastaan rautatieliikenteestä, muut kolme liikennemuotoa omaavat potentiaalisen kilpailukyvyn. Venäjällä on mahdollisuus hyötyä laajasta pinta-alastaan Aasian ja Euroopan liikenteen yhdistäjänä. Yksi konkreettisimmista esimerkeistä on Trans Siperian rautatie, joka kaipaisi vielä lisäkehitystä. Suomi on toiminut Venäjän liikenteessä arvotavaran kauttakulkumaana, vuonna 2003 noin 30–40 % Venäjän tuonnin arvosta kulki Suomen kautta. Venäjälle tullaan tuomaan arvotavaraa vielä useita vuosia, mutta reittien osalta kilpailu on tiukentunut. Suomalaisten yritysten liiketoimintamahdollisuuksiin esitetään kaksi mallia: kauttakulkuliikenteen lisäarvologistiset (VAL) operaatiot Suomessa tai etabloituminen Venäjän logistisiin ketjuihin. Suomalaisten olisi syytä parantaa yhteistyötään yritysten ja yliopistojen ym. koulutuslaitosten välillä. Myös yhteistyökumppaneiden hakeminen esimerkiksi Ruotsista voisi tuoda merkittäviä etuja. Suomalaista osaamista voitaisiin hyödyntää parhaiten etabloitumalla Venäjän markkinoille, esimerkiksi keskittymällä Venäjän logististen ketjujen johtamiseen. Myös VAL palveluiden johtamiseen Venäjällä olisi erittäin hyvä tilaisuus, koska Venäjän oma tietotaito logistiikassa ei ole vielä kehittynyt kansainväliselle tasolle, mutta kustannustaso on alhaisempi kuin Suomessa.

Evolutionary computing in search-based software engineering

This master’s thesis aims to study and represent from literature how evolutionary algorithms are used to solve different search and optimisation problems in the area of software engineering. Evolutionary algorithms are methods, which imitate the natural evolution process. An artificial evolution process evaluates fitness of each individual, which are solution candidates. The next population of candidate solutions is formed by using the good properties of the current population by applying different mutation and crossover operations. Different kinds of evolutionary algorithm applications related to software engineering were searched in the literature. Applications were classified and represented. Also the necessary basics about evolutionary algorithms were presented. It was concluded, that majority of evolutionary algorithm applications related to software engineering were about software design or testing. For example, there were applications about classifying software production data, project scheduling, static task scheduling related to parallel computing, allocating modules to subsystems, N-version programming, test data generation and generating an integration test order. Many applications were experimental testing rather than ready for real production use. There were also some Computer Aided Software Engineering tools based on evolutionary algorithms.

Railway Wagon Market Analysis and New Multi-Purpose Wagon Solution for Freight Transports - Finnish Manufacturing Perspective

Rautateillä käytettävät tavaravaunut ovat vanhenemassa hyvin nopeasti; tämä koskee niin Venäjää, Suomea, Ruotsia kuin laajemminkin Eurooppaa. Venäjällä ja Euroopassa on käytössä runsaasti vaunuja, jotka ovat jo ylittäneet niille suositeltavan käyttöiän. Silti niitä käytetään kuljetuksissa, kun näitä korvaavia uusia vaunuja ei ole tarpeeksi saatavilla. Uusimmat vaunut ovat yleensä vaunuja vuokraavien yritysten tai uusien rautatieoperaattorien hankkimia - tämä koskee erityisesti Venäjää, jossa vaunuvuokraus on noussut erittäin suosituksi vaihtoehdoksi. Ennusteissa kerrotaan vaunupulan kasvavan ainakin vuoteen 2010 saakka. Jos rautateiden suosio rahtikuljetusmuotona kasvaa, niin voimistuva vaunukysyntä jatkuu huomattavan paljon pidemmän aikaa. Euroopan ja Venäjän vaunukannan tilanne näkyy myös sitä palvelevan konepajateollisuuden ongelmina - yleisesti ottaen alan eurooppalaiset yritykset ovat heikosti kannattavia ja niiden liikevaihto ei juuri kasva, venäläiset ja ukrainalaiset yritykset ovat olleet samassa tilanteessa, joskin aivan viime vuosina tilanne on osassa kääntynyt paremmaksi. Kun näiden maanosien yritysten liikevaihtoa, voittoa ja omistaja-arvoa verrataan yhdysvaltalaisiin kilpailijoihin, huomataan että jälkimmäisten suoriutuminen on huomattavan paljon parempaa, ja näillä yrityksillä on myös kyky maksaa osinkoja omistajilleen. Tutkimuksen tarkoituksena oli kehittää uuden tyyppinen kuljetusvaunu Suomen, Venäjän sekä mahdollisesti myös Kiinan väliseen liikenteeseen. Vaunutyypin tarkoituksena olisi kyetä toimimaan monikäyttöisenä, niin raaka-aineiden kuin konttienkin kuljetuksessa, tasapainottaen kuljetusmuotojen aiheuttamaa kuljetuspaino-ongelmaa. Kehitystyön pohjana käytimme yli 1000 venäläisen vaunutyypin tietokantaa, josta valitsimme Data Envelopment Analysis -menetelmällä soveliaimmat vaunut kontinkuljetukseen (lähemmin tarkastelimme n. 40 vaunutyyppiä), jättäen mahdollisimman vähän tyhjää tilaa junaan, mutta silti kyeten kantamaan valitun konttilastin. Kun kantokykyongelmia venäläisissä vaunuissa ei useinkaan ole, on vertailu tehtävissä tavarajunan pituuden ja kokonaispainon perusteella. Simuloituamme yhdistettyihin kuljetuksiin soveliasta vaunutyyppiä käytännössä löytyvässä kuljetusverkostossa (esim. raakapuuta Suomeen tai Kiinaan ja kontteja takaisin Venäjän suuntaan), huomasimme lyhemmän vaunupituuden sisältävän kustannusetua, erityisesti raakaainekuljetuksissa, mutta myös rajanylityspaikkojen mahdollisesti vähentyessä. Lyhempi vaunutyyppi on myös joustavampi erilaisten konttipituuksien suhteen (40 jalan kontin käyttö on yleistynyt viime vuosina). Työn lopuksi ehdotamme uuden vaunutyypin tuotantotavaksi verkostomaista lähestymistapaa, jossa osa vaunusta tehtäisiin Suomessa ja osa Venäjällä ja/tai Ukrainassa. Vaunutyypin tulisi olla rekisteröity Venäjälle, sillä silloin sitä voi käyttää Suomen ja Venäjän, kuten myös soveltuvin osin Venäjän ja Kiinan välisessä liikenteessä.

Threat Simulation- The Function of Dreaming?

Dreaming is a pure form of phenomenality, created by the brain untouched by external stimulation or behavioral activity, yet including a full range of phenomenal contents. Thus, it has been suggested that the dreaming brain could be used as a model system in a biological research program on consciousness (Revonsuo, 2006). In the present thesis, the philosophical view of biological realism is accepted, and thus, dreaming is considered as a natural biological phenomenon, explainable in naturalistic terms. The major theoretical contribution of the present thesis is that it explores dreaming from a multidisciplinary perspective, integrating information from various fields of science, such as dream research, consciousness research, evolutionary psychology, and cognitive neuroscience. Further, it places dreaming into a multilevel framework, and investigates the constitutive, etiological, and contextual explanations for dreaming. Currently, the only theory offering a full multilevel explanation for dreaming, that is, a theory including constitutive, etiological, and contextual level explanations, is the Threat Simulation Theory (TST) (Revonsuo, 2000a; 2000b). The empirical significance of the present thesis lies in the tests conducted to test this specific theory put forth to explain the form, content, and biological function of dreaming. The first step in the empirical testing of the TST was to define exact criteria for what is a ‘threatening event’ in dreams, and then to develop a detailed and reliable content analysis scale with which it is possible to empirically explore and quantify threatening events in dreams. The second step was to seek answers to the following questions derived from the TST: How frequent threatening events are in dreams? What kind of qualities these events have? How threatening events in dreams relate to the most recently encoded or the most salient memory traces of threatening events experienced in waking life? What are the effects of exposure to severe waking life threat on dreams? The results reveal that threatening events are relatively frequent in dreams, and that the simulated threats are realistic. The most common threats include aggression, are targeted mainly against the dream self, and include simulations of relevant and appropriate defensive actions. Further, real threat experiences activate the threat simulation system in a unique manner, and dream content is modulated by the activation of long term episodic memory traces with highest negative saliency. To sum up, most of the predictions of the TST tested in this thesis received considerable support. The TST presents a strong argument that explains the specific design of dreams as threat simulations. The TST also offers a plausible explanation for why dreaming would have been selected for: because dreaming interacted with the environment in such a way that enhanced fitness of ancestral humans. By referring to a single threat simulation mechanism it furthermore manages to explain a wide variety of dream content data that already exists in the literature, and to predict the overall statistical patterns of threat content in different samples of dreams. The TST and the empirical tests conducted to test the theory are a prime example of what a multidisciplinary approach to mental phenomena can accomplish. Thus far, dreaming seems to have always resided in the periphery of science, never regarded worth to be studied by the mainstream. Nevertheless, when brought to the spotlight, the study of dreaming can greatly benefit from ideas in diverse branches of science. Vice versa, knowledge learned from the study of dreaming can be applied in various disciplines. The main contribution of the present thesis lies in putting dreaming back where it belongs, that is, into the spotlight in the cross-road of various disciplines.

The Quality of Paediatric Nursing Care - Children’s Perspective

Hoitotyön laatu - lasten näkökulma Tämän kolmivaiheisen tutkimuksen tarkoituksena oli kuvailla lasten odotuksia ja arviointeja lasten hoitotyön laadusta sekä kehittää mittari kouluikäisille sairaalassa oleville lapsille laadun arviointiin. Perimmäisenä tavoitteena oli lasten hoitotyön laadun kehittäminen sairaalassa. Ensimmäisessä vaiheessa 20 alle kouluikäistä (4-6v) sekä 20 kouluikäistä (7-11v) lasta kuvailivat odotuksiaan lasten hoitotyön laadusta. Aineisto kerättiin haastattelulla ja lasten piirustusten avulla, sekä analysoitiin sisällön analyysilla. Lasten odotukset lasten hoitotyön laadusta kohdistuivat hoitajaan, hoitotyön toimintoihin ja ympäristöön, fyysinen ympäristö korostui piirustuksissa. Ensimmäisen vaiheen tulosten, aikaisemman kirjallisuuden sekä Leino-Kilven “HYVÄ HOITO” mittarin pohjalta kehitettiin “Lasten Hoidon Laatu Sairaalassa” (LHLS) mittari ja testattiin sen psykometrisiä ominaisuuksia tutkimuksen toisessa vaiheessa. Mittaria kehitettiin ja testattiin kolmen vaiheen kautta. Aluksi asiantuntijapaneeli (n=7) arvioi mittarin sisältöä. Seuraavaksi mittari esitestattiin kahdesti kouluikäisillä sairaalassa olevilla lapsilla (n=41 ja n=16), samassa vaiheessa myös viiden lastenosaston hoitajat (n=19) yhdessä arvioivat mittarin sisältöä sekä 8 lasta. Lopuksi mittaria testattiin kouluikäisillä lapsilla (n=388) sairaalassa sekä hoitajat (n=198) arvioivat mittarin sisällön validiteettia. Mittarin kehittämisen aikana päälaatuluokkien: hoitajan ominaisuudet, hoitotyön toiminnot ja hoitotyön ympäristö Cronbachin alfa kertoimet paranivat. Pääkomponentti analyysi tuki mittarin hoitotyön toimintojen ja ympäristön alaluokkien teoreettista rakennetta. Kolmannessa vaiheessa “Lasten Hoidon Laatu Sairaalassa” (LHLS III, versio neljä) mittarilla kerättiin aineisto Suomen yliopistosairaaloiden lastenosastoilta kouluikäisiltä 7-11 -vuotiailta lapsilta (n=388). Mittarin lopussa lapsia pyydettiin lisäksi kuvailemaan kivointa ja ikävintä kokemustaan sairaalahoidon aikana lauseen täydennystehtävänä. Aineisto analysoitiin tilastollisesti sekä sisällön analyysilla. Lapset arvioivat fyysisen hoitoympäristön, hoitajien inhimillisyyden ja luotettavuuden sekä huolenpidon ja vuorovaikutustoiminnot kiitettäviksi. Lapset arvioivat hoitajien viihdyttämistoiminnot kaikkein alhaisimmiksi. Lapsen ikä ja sairaalantulotapa olivat yhteydessä lasten saamaan tiedon määrään. Lasten kivoimmat kokemukset liittyivät ihmisiin ja heidän ominaisuuksiinsa, toimintoihin, ympäristöön sekä lopputuloksiin. Ikävimmät kokemukset liittyivät potilaana oloon, tuntemuksiin sairauden oireista sekä erossaoloon, hoitotyön fyysisiin toimintoihin sekä ympäristöön. Tutkimuksen tulokset osoittavat lasten olevan kykeneviä arvioimaan omaa hoitoaan ja heidän näkökulmansa tulisi nähdä osana koko laadun kehittämisprosessia parannettaessa laatua käytännössä todella lapsilähtöisemmällä lähestymistavalla. “Lasten Hoidon Laatu Sairaalassa” (LHLS) mittari on mahdollinen väline saada tietoa lasten arvioinneista lasten hoitotyön laadusta, mutta mittarin testaamista tulisi jatkaa tulevaisuudessa

Improving the effectiveness of supply chain development work – an expert role perspective

This study focuses to the intersection of three sets of activities in a company: expert work, development work and supply chain management, SCM. Experts and expert work represent a set of individuals whose efficiency and impact this study is intended to improve, while development work defines the set of organizational activities to focus on. SCM as an expertise area acts as the platform on which this study is built. The study has two aims. Firstly, it aims to derive a model helping an SCM expert to increase the effectiveness of expert work in development tasks by understanding the encountered organizational situations and processes better, reflecting his/her past and future actions to organizational processes and selecting and adjusting the processes and contents of his/her work accordingly. Secondly, it aims to develop applicable approaches and methods to understand, evaluate and manage the organizational processes and situations in development work. The integrative model on approaches and methods to improve the effectiveness of development processes is split to two aggregate dimensions: technical performance of the developed solution and consumption of resources of the development process. Six potential approaches and methods aiming at helping in the management of organizational dimensions are presented in enclosed publications. The approaches focus on three subtasks of development work: decision making, implementation and change, and knowledge accumulation. The approaches and methods have been tested in case studies representing typical development processes in the area of supply chain management. As a result, four suggestions are presented. Firstly, SCM experts are advised to consider the SCM development work to be consisting of development processes. Secondly, inside these processes they should identify and evaluate the risk of difficult decision-making related to organizational factors. Thirdly, they are prompted for an active role in implementation and change, supporting the implementation through whole process. Finally, the development should be seen in a holistic view, taking into account the stage of knowledge and organizational issues related to it, and adopt a knowledge development strategy.

Evolutionary Ecology of Mountain Birch in Subarctic Stress Gradients: Interplay of Biotic and Abiotic Factors in Plant-Plant Interactions and Evolutionary Processes

In nature, variation for example in herbivory, wind exposure, moisture and pollution impact often creates variation in physiological stress and plant productivity. This variation is seldom clear-cut, but rather results in clines of decreasing growth and productivity towards the high-stress end. These clines of unidirectionally changing stress are generally known as ‘stress gradients’. Through its effect on plant performance, stress has the capacity to fundamentally alter the ecological relationships between individuals, and through variation in survival and reproduction it also causes evolutionary change, i.e. local adaptations to stress and eventually speciation. In certain conditions local adaptations to environmental stress have been documented in a matter of just a few generations. In plant-plant interactions, intensities of both negative interactions (competition) and positive ones (facilitation) are expected to vary along stress gradients. The stress-gradient hypothesis (SGH) suggests that net facilitation will be strongest in conditions of high biotic and abiotic stress, while a more recent ‘humpback’ model predicts strongest net facilitation at intermediate levels of stress. Plant interactions on stress gradients, however, are affected by a multitude of confounding factors, making studies of facilitation-related theories challenging. Among these factors are plant ontogeny, spatial scale, and local adaptation to stress. The last of these has very rarely been included in facilitation studies, despite the potential co-occurrence of local adaptations and changes in net facilitation in stress gradients. Current theory would predict both competitive effects and facilitative responses to be weakest in populations locally adapted to withstand high abiotic stress. This thesis is based on six experiments, conducted both in greenhouses and in the field in Russia, Norway and Finland, with mountain birch (Betula pubescens subsp. czerepanovii) as the model species. The aims were to study potential local adaptations in multiple stress gradients (both natural and anthropogenic), changes in plant-plant interactions under conditions of varying stress (as predicted by SGH), potential mechanisms behind intraspecific facilitation, and factors confounding plant-plant facilitation, such as spatiotemporal, ontogenetic, and genetic differences. I found rapid evolutionary adaptations (occurring within a time-span of 60 to 70 years) towards heavy-metal resistance around two copper-nickel smelters, a phenomenon that has resulted in a trade-off of decreased performance in pristine conditions. Heavy-metal-adapted individuals had lowered nickel uptake, indicating a possible mechanism behind the detected resistance. Seedlings adapted to heavy-metal toxicity were not co-resistant to others forms of abiotic stress, but showed co-resistance to biotic stress by being consumed to a lesser extent by insect herbivores. Conversely, populations from conditions of high natural stress (wind, drought etc.) showed no local adaptations, despite much longer evolutionary time scales. Due to decreasing emissions, I was unable to test SGH in the pollution gradients. In natural stress gradients, however, plant performance was in accordance with SGH, with the strongest host-seedling facilitation found at the high-stress sites in two different stress gradients. Factors confounding this pattern included (1) plant size / ontogenetic status, with seedling-seedling interactions being competition dominated and host-seedling interactions potentially switching towards competition with seedling growth, and (2) spatial distance, with competition dominating at very short planting distances, and facilitation being strongest at a distance of circa ¼ benefactor height. I found no evidence for changes in facilitation with respect to the evolutionary histories of plant populations. Despite the support for SGH, it may be that the ‘humpback’ model is more relevant when the main stressor is resource-related, while what I studied were the effects of ‘non-resource’ stressors (i.e. heavy-metal pollution and wind). The results have potential practical applications: the utilisation of locally adapted seedlings and plant facilitation may increase the success of future restoration efforts in industrial barrens as well as in other wind-exposed sites. The findings also have implications with regard to the effects of global change in subarctic environments: the documented potential by mountain birch for rapid evolutionary change, together with the general lack of evolutionary ‘dead ends’, due to not (over)specialising to current natural conditions, increase the chances of this crucial forest-forming tree persisting even under the anticipated climate change.