Non-Markovian Dynamics in Continuous Variable Quantum Systems

The present manuscript represents the completion of a research path carried forward during my doctoral studies in the University of Turku. It contains information regarding my scientific contribution to the field of open quantum systems, accomplished in collaboration with other scientists. The main subject investigated in the thesis is the non-Markovian dynamics of open quantum systems with focus on continuous variable quantum channels, e.g. quantum Brownian motion models. Non-Markovianity is here interpreted as a manifestation of the existence of a flow of information exchanged by the system and environment during the dynamical evolution. While in Markovian systems the flow is unidirectional, i.e. from the system to the environment, in non-Markovian systems there are time windows in which the flow is reversed and the quantum state of the system may regain coherence and correlations previously lost. Signatures of a non-Markovian behavior have been studied in connection with the dynamics of quantum correlations like entanglement or quantum discord. Moreover, in the attempt to recognisee non-Markovianity as a resource for quantum technologies, it is proposed, for the first time, to consider its effects in practical quantum key distribution protocols. It has been proven that security of coherent state protocols can be enhanced using non-Markovian properties of the transmission channels. The thesis is divided in two parts: in the first part I introduce the reader to the world of continuous variable open quantum systems and non-Markovian dynamics. The second part instead consists of a collection of five publications inherent to the topic.

Creating possibilities for collective creativity : Brokerage Functions in Practice-Based Innovation

In the network era, creative achievements like innovations are more and more often created in interaction among different actors. The complexity of today‘s problems transcends the individual human mind, requiring not only individual but also collective creativity. In collective creativity, it is impossible to trace the source of new ideas to an individual. Instead, creative activity emerges from the collaboration and contribution of many individuals, thereby blurring the contribution of specific individuals in creating ideas. Collective creativity is often associated with diversity of knowledge, skills, experiences and perspectives. Collaboration between diverse actors thus triggers creativity and gives possibilities for collective creativity. This dissertation investigates collective creativity in the context of practice-based innovation. Practice-based innovation processes are triggered by problem setting in a practical context and conducted in non-linear processes utilising scientific and practical knowledge production and creation in cross-disciplinary innovation networks. In these networks diversity or distances between innovation actors are essential. Innovation potential may be found in exploiting different kinds of distances. This dissertation presents different kinds of distances, such as cognitive, functional and organisational which could be considered as sources of creativity and thus innovation. However, formation and functioning of these kinds of innovation networks can be problematic. Distances between innovating actors may be so great that a special interpretation function is needed – that is, brokerage. This dissertation defines factors that enhance collective creativity in practice-based innovation and especially in the fuzzy front end phase of innovation processes. The first objective of this dissertation is to study individual and collective creativity at the employee level and identify those factors that support individual and collective creativity in the organisation. The second objective is to study how organisations use external knowledge to support collective creativity in their innovation processes in open multi-actor innovation. The third objective is to define how brokerage functions create possibilities for collective creativity especially in the context of practice-based innovation. The research objectives have been studied through five substudies using a case-study strategy. Each substudy highlights various aspects of creativity and collective creativity. The empirical data consist of materials from innovation projects arranged in the Lahti region, Finland, or materials from the development of innovation methods in the Lahti region. The Lahti region has been chosen as the research context because the innovation policy of the region emphasises especially the promotion of practice-based innovations. The results of this dissertation indicate that all possibilities of collective creativity are not utilised in internal operations of organisations. The dissertation introduces several factors that could support collective creativity in organisations. However, creativity as a social construct is understood and experienced differently in different organisations, and these differences should be taken into account when supporting creativity in organisations. The increasing complexity of most potential innovations requires collaborative creative efforts that often exceed the boundaries of the organisation and call for the involvement of external expertise. In practice-based innovation different distances are considered as sources of creativity. This dissertation gives practical implications on how it is possible to exploit different kinds of distances knowingly. It underlines especially the importance of brokerage functions in open, practice-based innovation in order to create possibilities for collective creativity. As a contribution of this dissertation, a model of brokerage functions in practice-based innovation is formulated. According to the model, the results and success of brokerage functions are based on the context of brokerage as well as the roles, tasks, skills and capabilities of brokers. The brokerage functions in practice-based innovation are also possible to divide into social and cognitive brokerage.

The Forms and Functions of Multilingual Practices in Early Modern School Drama from the King‟s School, Canterbury

Käsittelen tutkimuksessani monikielisyyden ilmenemistä Canterburyn katedraalikoulun oppilaiden 1600-luvun loppupuoliskolla esittämissä näytelmissä, jotka löytyvät käsikirjoituksesta Lit.Ms.E41 (Canterburyn katedraalin arkisto). Tämä käsikirjoitus sisältää puheita ja näytelmiä, joiden kielinä ovat englanti, latina ja vähemmissä määrin myös kreikka. Useissa näytelmissä esiintyy koodinvaihtoa näiden kielten välillä, ja tutkielmassani selvitän, millaisia syntaktisia ilmenemismuotoja ja pragmaattisia merkityksiä koodinvaihdolla on. Teoreettinen viitekehykseni on yhdistelmä filologista ja lingvististä lähestymistapaa. Olen sisällyttänyt tutkielmaani aiemman koodinvaihdon tutkimuksen lisäksi Brownin ja Levinsonin kohteliaisuusteorian, jonka avulla erityisesti puhujien välisiin sosiaalisiin suhteisiin liittyviä koodinvaihdon funktioita voidaan luokitella. Koska historiallinen koodinvaihto on tutkimusaiheena vielä melko tuore, käsittelen perusteellisesti erilaisia metodologisia ratkaisuja. Valitsemani metodi yhdistää perinteisen filologisen lähiluvun pragmaattiseen analyysiin, jonka kautta työssäni vaikuttavat muun muassa rationaalisuuden ja empatian käsitteet. Analyysini perusteella kävi ilmi, että erityisen yleinen koodinvaihdon funktio on mahdollistaa intertekstuaalisuus, jolla edelleen voidaan ilmaista esimerkiksi solidaarisuutta eli sosiaalista läheisyyttä tai loukata puhuteltavaa. Solidaarisuus oli myös ilman intertekstuaalisuutta yleinen koodinvaihdon funktio. Näiden lisäksi koodinvaihdon funktioita olivat muun muassa kasvoja uhkaavat teot, eufemismit, stilistiset efektit sekä diskurssin avustaminen. Syntaktisten ilmenemismuotojen osalta keskeisin havainto oli, että koodinvaihdon ja lainaamisen erottaminen ei ole tarpeellista tai edes kannattavaa kaikissa tilanteissa. Lisäksi voitiin todeta, että valittu metodi soveltui hyvin aineiston analysoimiseen, ja sitä tulisi soveltaa mahdollisuuksien mukaan laajempaan materiaaliin sekä muiden pragmaattisten ilmiöiden tutkimiseen.

Sisäinen tarkastus organisaation riskienhallinnan tukena - empiirinen analyysi

Tutkimuksen tavoitteena on selvittää, millainen rooli sisäisellä tarkastuksella on määritelmänsä mukaisesti organisaation riskienhallinnassa ja kuinka tässä roolissa sisäinen tarkastus säilyttää riippumattoman ja objektiivisen asemansa. Aihepiirin tutkimuksessa on aiemmin nostettu esille huoli objektiivisuuden ja riippumattomuuden toteutumisesta sisäisen tarkastuksen tehtävien laajentuessa perinteisten arviointi- ja varmennustehtävien ulkopuolelle. Sisäinen tarkastus on ottamassa merkittävämpää roolia riskienhallinnassa, jossa konsultointiluonteisten tehtävien osuus jatkaa kasvuaan suhteessa perinteisiin tehtäviin. Tutkimuksen empirialla haetaan vahvistusta lähdeaineiston keskeisille havainnoille ja selvitetään samalla sisäisen tarkastajan riippumatonta ja objektiivista asemaa turvaavia toimia. Empiirinen osio toteutetaan sähköpostihaastatteluna valituille yksityisellä puolella toimiville sisäisen tarkastuksen päälliköille. Haastattelun kysymykset ovat muodoltaan sekä strukturoituja että vapaampia kysymyksiä. Sisäisen tarkastuksen roolia selvitetään deskriptiivisellä lähestymistavalla, jolla kuvaillaan asemaa lähdemateriaalin sekä empiiristen havaintojen puitteissa. Tutkimus luokitellaan kvalitatiiviseksi tutkimukseksi. Kahdeksalle sisäiselle tarkastajalle lähetetystä haastattelulomakkeesta vastaukset saatiin lopulta kahdelta sisäisen tarkastuksen päälliköltä. Tutkimuksen keskeiset havainnot osoittavat, että sisäisellä tarkastuksella on aktiivinen rooli riskien arvioinnissa ja riskeistä konsultoinnissa. Tarkastuksen riippumaton ja objektiivinen toiminta varmennetaan sisäisen tarkastuksen suoralla raportointiyhteydellä ylimpään johtoon sekä sisäisesti että ulkoisesti tapahtuvalla laadun varmennuksella. Tutkimuksessa tehdyt havainnot lisäävät tietoa ja ymmärrystä sisäisen tarkastuksen riippumattomuuden ja objektiivisuuden varmentamisesta riskienhallinnan tukena.

TR(i)P, TR(i)P, hooray : new functions for TRPC2 and TRPC3

Kalciumjonen påverkar många aspekter av cellbiologi, från fertiliseringen av äggcellen till tillväxt och differentiering av alla typer av celler. Störningar i hur kalciumjonerna transporteras in och friges i cellerna kan ha stor betydelse för hur sjukdomar framskrider. På grund av detta är det viktigt att studera hur kalciumtransportörer såsom kalciumkanaler fungerar och hur de påverkar cellernas funktioner. I avhandlingen har klassiska transient receptorpotential (TRPC) katjonkanaler studerats. Dessa kanaler är permeabla för kalcium och aktiveras nedströms av G-proteinkopplade receptorer. Resultaten som presenteras i avhandlingen visar på nya funktioner för TRPC2- och TRPC3-kanalerna. Utöver TRPC3-kanalens roll i plasmamembranen, där den medverkar i receptorreglerat kalciuminflöde, tyder våra resultat på att TRPC3 har en potentiell intracellulär roll. Vid överuttryck av kanalen lokaliserade kanalen till endoplasmatiska nätverket där kanalen friger intracellulärt kalcium. TRPC2 har en viktig funktion i möss där kanalen reglerar hur djuret reagerar på feromoner. Våra resultat tyder på att TRPC2 är involverad i autokrin sfingosin-1-fosfat (S1P)-signalering. S1P som produceras i cellerna transporterades ut från cellerna varpå det aktiverade S1P2-receptorer på plasmamembranen. Diacylglycerol som bildas som en följd av aktivering av S1P2-receptorn aktiverade i sin tur inflöde av extracellulärt kalcium. Våra resultat indikerar att TRPC2 är kanalen som förmedlar detta kalciuminflöde. I sköldkörtelceller studerades nedströms effekter för TRPC2. Kanalen reglerade negativt cAMP-produktionen i cellerna vilket hämmar extracellulärt signalreglerat kinas 1/2 (ERK1/2). När uttrycket för TRPC2 minskades i cellerna, ökades produktionen av cAMP och fosforyleringen av ERK1/2, vilket resulterade i ökat uttryck för receptorn för sköldkörtelstimulerande hormon. Slutligen, presenterar vi resultat som tyder på att TRPC2 är viktigt för sekretion av prekursorn till sköldkörtelhormon.

Improving product profitability control in continuous IT-services

The target of the thesis is to improve product profitability control in continuous IT-services. Accurate product cost accounting and correctly allocated revenues are a necessity for good product profitability control. The focus of the study is on costs and revenues that are not traced directly to services. The thesis is focused on revenue allocations as revenue allocation methods have not been used in the case company before. In order to achieve the target revenue allocation methods, which improve the product profitability accounting and control, are presented. The research methods used in the thesis are literature review and empirical case study. The research approach is constructive. The theoretical part is composed of literature and articles that create a base for the empirical part. Internal interviews describe the current situation in the company and based on it development actions are planned. The part of the empirical case study is seen mostly in the limitations as the research is limited to concern only one department in the company. Problems in the revenue tracing are caused by customer specific services and lack of service definitions because of which the revenues are not traced correctly. Methods to allocate revenues are presented in the thesis and stand-alone revenue allocation method is the most suitable one because it is fair and it can be modified. Approximate product profitability analysis is done in the thesis and the results of it indicate that some services are profitable and some unprofitable.

Osaamisen johtaminen pk-yrityksen kansainvälisen kasvun elinkaarella

Tutkimuksen tavoitteena oli osaamisen johtamisen holistinen tarkastelu pk-yrityksen kansainvälisen kasvun elinkaarella. Osaamisen johtamisen malli sisältää osaamisen, tiedon, eriasteiset ja hierarkisesti eritasoiset liittoumat ja verkostot sekä internetin tarjonnan organisaation oppimisen ohella. Pk-yrityksen syntyminen, kasvu kotimarkkinoilla ja kansainvälinen kasvu voivat perustua kansainvälisyyteen. Holistinen kansainvälistyminen voi alkaa mistä funktiosta tai prosessista tahansa ja ulottua eriasteisena muihin funktioihin ja/tai prosesseihin. Kansainvälistyminen ja kansainvälinen toiminta voi katketa kokonaan tai funktioitain ja alkaa uudelleen. Tutkimuksen holistisella mallilla analysoitiin tapausyritykset hyödyntämällä osa-aluekronologiaa. Tuloksilla tarkennettiin mallia. Tarkennettu malli korostaa kasvu ja/tai kansainvälistymisärsykkeen/impulssin syntyvän sekä kotiettä ulkomaisilta kysyntä- ja/tai tarjontamarkkinoilta sekä yrityksen sisä- että ulkopuolelta tai olevan piilevänä omistajayrittäjässä. Holistisuus korostaa mallin kaikissa osissa ennen alkua (pre-start) vaiheen asemaa, päättymätöntä uudistumisprosessia. Osaamisen johtamisessa korostuu proaktiivisuus. Jokainen uudistamisprosessi edellyttää olevan osaamisen vahvistamista, ja organisaation ulkopuolisen osaamis- ja tietopääoman hyödyntämistä. Osaamisen johtaminen sisältää varsinaisen ja laajennetun organisaation yksilöiden, ryhmien ja yksiköiden visio- ja strategiaperusteisen johtamisen. Tämä edellyttää sitouttamista, motivointia ja omaehtoisuuden sekä organisaation sisäisen ja ulkoisen kulttuurietäisyyden hyödyntämistä. Yksilön fokus osaamisen johtamisen näkökulmasta on tehtävään sitoutuminen ja itsensä toteuttaminen. Fokukset ovat proaktiiviisia vaihdellen funktioiden ja prosessien elinkaarilla dynaamisesti. Tutkimus myötävaikuttaa omistajayrittäjän roolin korostamiseen, kasvu- ja kansainvälistymisimpulssin ja ennen alkua (pre start) vaiheen holistisuuden ymmärtämiseen laaja-alaisesti. Kasvu- ja kansainvälistymisimpulsseja/ärsykkeitä ja niistä seuraavia pre start vaiheita/osa-alueita on pk-yrityksen elinkaarella (1+n) kappaletta; (n: 0- oo). Malli myötävaikuttaa ymmärtämään aineettomia osaamis- ja tieto-optioita sekä korostaa transnationalpiirteitä kansainvälistä kasvua vahvistavina.

Localization, Frequency, and Functions of Filled Pauses: Five American Politicians’ Use of er and erm in the Talk Show Larry King Live

Tämän pro gradu– tutkielman tavoitteena oli testata täytettyjen taukojen (er ja erm) esiintymistiheyttä, sijaintia kieliopillisessa rakenteessa sekä funktioita Kjellmerin (2003) korpus-tutkimuksessa. Materiaalina käytin viiden yhdysvaltalaisen poliitikon puhetta keskusteluohjelmasta Larry King Live. Tutkimuksessani sovelsin Kjellmerin tutkimusmenetelmiä, joita muokkasin huomattavasti suppeampaan materiaaliini sopiviksi. Lähestymistapani oli täten induktiivinen toisin kuin testatussa tutkimuksessa. Materiaalini oli tarkoituksellisesti rajattu, sillä halusin selvittää, kuvaavatko Kjellmerin laajaan materiaaliin perustuvat tutkimustulokset myös täytettyjen taukojen käyttöä suppeammassa materiaalissa. Materiaalini (kokonaisuudessaan 101 minuuttia) transkriboin ortografisesti. Analyysissäni arvioin täytettyjen taukojen esiintymistiheyden puhujakohtaisesti ja koko ryhmälle suhteuttamalla täytettyjen taukojen lukumäärän kokonaissanamäärään. Tämän jälkeen tein perinteisen kielioppianalyysin rakenteista, joita edeltää tai joissa esiintyy täytetty tauko, ja täytettyjen taukojen sijainnin perusteella luokittelin ne sana-, lauseke-, ja lausetasolle. Lopuksi analysoin täytettyjen taukojen käyttöä soveltaen Kjellmerin ehdottamia funktioita (hesitaatio, vuorottelujäsennyksen merkitseminen, huomion herättäminen ja kontaktin luominen, korostus ja korjaus) ja niiden piirteitä omaan materiaaliini. Tutkimukseni perusteella täytetyt tauot esiintyvät tutkitun viiden poliitikon puheessa suhteellisen usein. Puhujakohtaiset eroavaisuudet olivat kuitenkin huomattavat. Kieliopillisen luokitteluni mukaan sana-, lauseke- ja lausetasot eivät täysin kuvaa täytettyjen taukojen sijoittumista, sillä täytetyt tauot edelsivät mm. määre-lauseita, jotka eivät vastaa lausetasoa englannin kielessä. Materiaalini funktioanalyysi osoitti, että täytetyt tauot yleensä vastaavat yhtä tai useampaa Kjellmerin ehdottamaa funktioita. Lisäksi tutkimukseni mukaan täytetyillä tauoilla on ainakin yksi rakenteellinen funktio. Analyysini perusteella Kjellmerin tutkimustulokset ovat siis pääosin sovellettavissa suppeampaan materiaaliin. Puutteiksi hänen tutkimuksessaan osoittautuivat funktioanalyysille tärkeän kontekstuaalisen informaation puute sekä keskittyminen täytettyihin taukoihin, jotka esiintyvät vain tietyissä kielioppirakenteissa. Yleisesti voin tutkimukseni pohjalta todeta, että täytetyt tauot ovat vielä vajaasti tunnettuja ja että kieliopillisen sijoituksen ja funktioiden lisätutkimus on tarpeellista.

Novel Functions of ErbB4 and NRG-1 in Development and Cancer

Cells communicate, or signal, with each other constantly to ensure proper functioning of tissues and organs. Cell signaling is often performed by interplay of receptors and ligands that bind these receptors. ErbB receptors (epidermal growth factor receptors, EGFR, HER) bind extracellular growth factors and transduce these signals inside of cells. ErbB dysfunction promotes carcinogenesis, and also results in numerous defects during normal development. This study focused on the functions of one member of the ErbB receptor family, ErbB4, and growth factor, neuregulin-1 (NRG-1), that can bind and activate ErbB4. This study aimed to find novel functions of ErbB4 and NRG-1. Hypoxia, or deficiency of oxygen, is common in cancer and ischemic conditions. One of the key findings of the work was the identification and characterization of a cross-talk between ErbB4 and Hypoxia-inducible factor 1α (HIF-1α), the central mediator of hypoxia signaling. ErbB4 activation by NRG-1 was found to increase HIF-1α activity. Interestingly, this regulation occurred in reciprocal manner as HIF-1α was also able to increase protein levels of NRG-1 and ErbB4. Moreover, expression of NRG-1 and ErbB4 was associated with HIF activity in vivo in human clinical samples and in mice. Reduction of functional ErbB4 in developing zebrafish embryos resulted in defects in development of the skeletal muscles. To study ErbB4 functions in pathological situation in humans, clinical samples of serous ovarian carcinoma were analyzed using tissue microarrays and real-time RT-PCR. A specific isoform of ErbB4, CYT-1, was associated with poor survival in serous ovarian cancer and increased anchorage independent growth of ovarian cancer cells in vitro. These observations demonstrate that ErbB4 and NRG-1 are essential regulators of cellular response to hypoxia, of development, and of ovarian carcinogenesis.

Training executive functions in the laboratory and in real life : cognitive consequences of computer-based exercises and bilingualism

The question of the trainability of executive functions and the impact of such training on related cognitive skills has stirred considerable research interest. Despite a number of studies investigating this, the question has not yet been solved. The general aim of this thesis was to investigate two very different types of training of executive functions: laboratory-based computerized training (Studies I-III) and realworld training through bilingualism (Studies IV-V). Bilingualism as a kind of training of executive functions is based on the idea that managing two languages requires executive resources, and previous studies have suggested a bilingual advantage in executive functions. Three executive functions were studied in the present thesis: updating of working memory (WM) contents, inhibition of irrelevant information, and shifting between tasks and mental sets. Studies I-III investigated the effects of computer-based training of WM updating (Study I), inhibition (Study II), and set shifting (Study III) in healthy young adults. All studies showed increased performance on the trained task. More importantly, improvement on an untrained task tapping the trained executive function (near transfer) was seen in Study I and II. None of the three studies showed improvement on untrained tasks tapping some other cognitive function (far transfer) as a result of training. Study I also used PET to investigate the effects of WM updating training on a neurotransmitter closely linked to WM, namely dopamine. The PET results revealed increased striatal dopamine release during WM updating performance as a result of training. Study IV investigated the ability to inhibit task-irrelevant stimuli in bilinguals and monolinguals by using a dichotic listening task. The results showed that the bilinguals exceeded the monolinguals in inhibiting task-irrelevant information. Study V introduced a new, complementary research approach to study the bilingual executive advantage and its underlying mechanisms. To circumvent the methodological problems related to natural groups design, this approach focuses only on bilinguals and examines whether individual differences in bilingual behavior correlate with executive task performances. Using measures that tap the three above-entioned executive functions, the results suggested that more frequent language switching was associated with better set shifting skills, and earlier acquisition of the second language was related to better inhibition skills. In conclusion, the present behavioral results showed that computer-based training of executive functions can improve performance on the trained task and on closely related tasks, but does not yield a more general improvement of cognitive skills. Moreover, the functional neuroimaging results reveal that WM training modulates striatal dopaminergic function, speaking for training-induced neural plasticity in this important neurotransmitter system. With regard to bilingualism, the results provide further support to the idea that bilingualism can enhance executive functions. In addition, the new complementary research approach proposed here provides some clues as to which aspects of everyday bilingual behavior may be related to the advantage in executive functions in bilingual individuals.

PV-1: Leukocyte trafficking molecule and vascular marker

The distinction between lymphatic vessels and blood vessels is a crucial factor in many studies in immunology, vascular biology and cancer biology. They both share several characteristics and perform related, though different functions. They are equally important for the performance of the human immune system with the continuous recirculation of leukocytes from the tissues via lymphatics to the blood vessels and back into the tissue presenting the link between both systems. This study was undertaken to elucidate the differences in the gene expression between primary blood- and lymphatic endothelial cells as well as the two immortalized cell lines HMEC-1 (human microvascular endothelial cell line 1) and TIME (telomerase immortalized microvascular endothelial cell line). Furthermore, we wanted to investigate the mystery surrounding the identity of the antigen recognized by the prototype blood vascular marker PAL-E. In the last step we wanted to study whether the PAL-E antigen would be involved in the process of leukocyte migration from the bloodstream into the surrounding tissue. Our results clearly show that the gene expression in primary blood endothelial cells (BEC), lymphatic endothelial cells (LEC) and the cell lines HMEC-1 and TIME is plastic. Comparison of a large set of BEC- and LEC datasets allowed us to assemble a catalog of new, stable BEC- or LEC specific markers, which we verified in independent experiments. Additionally, several lines of evidence demonstrated that PAL-E recognizes plasmalemma vesicle associated protein 1 (PV-1), which can form complexes with vimentin and neuropilin-1. Finally, numerous in vitro and in vivo experiments identify the first function of the protein PV-1 during leukocyte trafficking, where it acts as regulatory molecule.

Lean daily management, visual management and continuous improvement

This thesis was part of lean adaptation project started at Outotec Lappeenranta factory in early 2013. The purpose of this thesis was to develop and propose lean tools that could be used in daily management, visual management and continuous improvement. This thesis was “outsiders” view, and as such, did not study the current processes deeply. As result of this thesis, two different Daily Management -boards were designed, one for parallel processes and one for sequential processes. In addition, methods of doing continuous improvement and daily task accountability were framed and standard work for the leaders outlined. The tools presented in this thesis are general tools which support work in lean environment. They are visual and, if used correctly, they provide a basis from which continuous improvement can be done. Lean philosophy emphasizes the deep understanding of the current situation and it would be against the lean principles to blindly implement anything developed “on the outside”. The tools presented should be reviewed and modified further by the people working on the factory floor.

Interpreting marine benthic ecosystem functioning in coastal waters: validating the biological trait concept

Coastal areas harbour high biodiversity, but are simultaneously affected by rapid degradations of species and habitats due to human interactions. Such alterations also affect the functioning of the ecosystem, which is primarily governed by the characteristics or traits expressed by the organisms present. Marine benthic fauna is nvolved in numerous functions such as organic matter transformation and transport, secondary production, oxygen transport as well as nutrient cycling. Approaches utilising the variety of faunal traits to assess benthic community functioning have rapidly increased and shown the need for further development of the concept. In this thesis, I applied biological trait analysis that allows for assessments of a multitude of categorical traits and thus evaluation of multiple functional aspects simultaneously. I determined the functional trait structure, diversity and variability of coastal zoobenthic communities in the Baltic Sea. The measures were related to recruitment processes, habitat heterogeneity, large-scale environmental and taxonomic gradients as well as anthropogenic impacts. The studies comprised spatial scales from metres to thousands of kilometres, and temporal scales spanning one season as well as a decade. The benthic functional structure was found to vary within and between seagrass landscape microhabitats and four different habitats within a coastal bay, in papers I and II respectively. Expressions of trait categories varied within habitats, while the density of individuals was found to drive the functional differences between habitats. The findings in paper III unveiled high trait richness of Finnish coastal benthos (25 traits and 102 cateogries) although this differed between areas high and low in salinity and human pressure. In paper IV, the natural reduction in taxonomic richness across the Baltic Sea led to an overall reduction in function. However, functional richness in terms of number of trait categories remained comparatively high at low taxon richness. Changes in number of taxa within trait categories were also subtle and some individual categories were maintained or even increased. The temporal analysis in papers I and III highlighted generalities in trait expressions and dominant trait categories in a seagrass landscape as well as a “type organism” for the northern Baltic Sea. Some initial findings were made in all four papers on the role of common and rare species and traits for benthic community functioning. The findings show that common and rare species may not always express the same trait categories in relation to each other. Rare species in general did not express unique functional properties. In order to advance the understanding of the approach, I also assessed some issues concerning the limitations of the concept. This was conducted by evaluating the link between trait category and taxonomic richness using especially univariate measures. My results also show the need to collaborate nationally and internationally on safeguarding the utility of taxonomic and trait data. The findings also highlight the importance of including functional trait information into current efforts in marine spatial planning and biomonitoring.