Large-scale spatial patterns in the distribution of Collembola (Hexapoda) species in Antarctic terrestrial ecosystems

We tested whether the distribution of three common springtail species (Gressittacantha terranova, Gomphiocephalus hodgsoni and Friesea grisea) in Victoria Land (Antarctica) could be modelled as a function of latitude, longitude, altitude and distance from the sea.

Victoria Land, Ross Dependency, Antarctica.

Generalized linear models were constructed using species presence/absence data relative to geographical features (latitude, longitude, altitude, distance from sea) across the species' entire ranges. Model results were then integrated with the known phylogeography of each species and hypotheses were generated on the role of climate as a major driver of Antarctic springtail distribution.

Based on model selection using Akaike's information criterion, the species' distributions were: hump-shaped relative to longitude and monotonic with altitude for Gressittacantha terranova; hump-shaped relative to latitude and monotonic with altitude for Gomphiocephalus hodgsoni; and hump-shaped relative to longitude and monotonic with latitude, altitude and distance from the sea for Friesea grisea.

No single distributional pattern was shared by the three species. While distributions were partially a response to climatic spatial clines, the patterns observed strongly suggest that past geological events have influenced the observed distributions. Accordingly, present-day spatial patterns are likely to have arisen from the interaction of historical and environmental drivers. Future studies will need to integrate a range of spatial and temporal scales to further quantify their respective roles.

Habitat Isolation Reduces the Temporal Stability of Island Ecosystems in the Face of Flood Disturbance

Natural ecosystems are increasingly exposed to multiple anthropogenic stressors, including land-use change, deforestation, agricultural intensification, and urbanisation, all of which have led to widespread habitat fragmentation, which is also likely to be amplified further by predicted climate change. The potential interactive effects of these different stressors cannot be determined by studying each in isolation, although such synergies have been largely ignored in ecological field studies to date. Here, we use a model system of naturally fragmented islands in a braided river network, which is exposed to periodic inundation, to investigate the interactive effects of habitat isolation and flood disturbance. Food web structure was similar across the islands during periods of hydrological stability, but several key properties were altered in the aftermath of flood disturbance, based on distance of the islands from the regional source pool of species: taxon richness and mean food chain length declined with habitat isolation after flooding, while the proportion of basal species increased. Greater species turnover through time reflected the slower process of re-colonisation on the more distant islands following disturbance. Increased variability of several food web properties over a 1-year period highlighted the reduced temporal stability of isolated habitat fragments. Many of these effects reflected the differential successes of predator and prey species at re-colonising the islands: even though larger, more mobile consumers may reach the more distant islands first, they cannot establish populations until the lower trophic levels have successfully reassembled. These results highlight the susceptibility of fragmented ecosystems to environmental perturbations. © 2013 Elsevier Ltd.

Environmental Challenges and Physiological Solutions: Comparative Energetic Daily Rhythms of Field Mice Populations from Different Ecosystems

Daily and seasonal variations in physiological characteristics of mammals can be considered adaptations to temporal habitat variables. Across different ecosystems, physiological adjustments are expected to be sensitive to different environmental signals such as changes in photoperiod, temperature or water and food availability; the relative importance of a particular signal being dependent on the ecosystem in question. Energy intake, oxygen consumption (VO) and body temperature (T) daily rhythms were compared between two populations of the broad-toothed field mouse Apodemus mystacinus, one from a Mediterranean and another from a sub-Alpine ecosystem. Mice were acclimated to short-day (SD) 'winter' and long-day (LD) 'summer' photoperiods under different levels of salinity simulating osmotic challenges. Mediterranean mice had higher VO values than sub-Alpine mice. In addition, mice exposed to short days had higher VO values when given water with a high salinity compared with mice exposed to long days. By comparison, across both populations, increasing salinity resulted in a decreased T in SD- but not in LD-mice. Thus, SD-mice may conserve energy by decreasing T during ('winter') conditions which are expected to be cool, whereas LD-mice might do the opposite and maintain a higher T during ('summer') conditions which are expected to be warm. LD-mice behaved to reduce energy expenditure, which might be considered a useful trait during 'summer' conditions. Overall, increasing salinity was a clear signal for Mediterranean-mice with resultant effects on VO and T daily rhythms but had less of an effect on sub-Alpine mice, which were more responsive to changes in photoperiod. Results provide an insight into how different populations respond physiologically to various environmental challenges.

Constructing random matrices to represent real ecosystems

Models of complex systems with n components typically have order n² parameters because each component can potentially interact with every other. When it is impractical to measure these parameters, one may choose random parameter values and study the emergent statistical properties at the system level. Many influential results in theoretical ecology have been derived from two key assumptions: that species interact with random partners at random intensities and that intraspecific competition is comparable between species. Under these assumptions, community dynamics can be described by a community matrix that is often amenable to mathematical analysis. We combine empirical data with mathematical theory to show that both of these assumptions lead to results that must be interpreted with caution. We examine 21 empirically derived community matrices constructed using three established, independent methods. The empirically derived systems are more stable by orders of magnitude than results from random matrices. This consistent disparity is not explained by existing results on predator-prey interactions. We investigate the key properties of empirical community matrices that distinguish them from random matrices. We show that network topology is less important than the relationship between a species’ trophic position within the food web and its interaction strengths. We identify key features of empirical networks that must be preserved if random matrix models are to capture the features of real ecosystems.

Knowledge Transfer in Quadruple Helix Ecosystems: An Absorptive Capacity Perspective

Increased understanding of knowledge transfer (KT) from universities to the wider regional knowledge ecosystem offers opportunities for increased regional innovation and commercialisation. The aim of this article is to improve the understanding of the KT phenomena in an open innovation context where multiple diverse quadruple helix stakeholders are interacting. An absorptive capacity-based conceptual framework is proposed, using a priori constructs which portrays the multidimensional process of KT between universities and its constituent stakeholders in pursuit of open innovation and commercialisation. Given the lack of overarching theory in the field, an exploratory, inductive theory building methodology was adopted using semi-structured interviews, document analysis and longitudinal observation data over a three-year period. The findings identify five factors, namely human centric factors, organisational factors, knowledge characteristics, power relationships and network characteristics, which mediate both the ability of stakeholders to engage in KT and the effectiveness of knowledge acquisition, assimilation, transformation and exploitation. This research has implications for policy makers and practitioners by identifying the need to implement interventions to overcome the barriers to KT effectiveness between regional quadruple helix stakeholders within an open innovation ecosystem.

Metabolism of mineral-sorbed organic matter depends upon microbial lifestyle in fluvial ecosystems

In fluvial ecosystems mineral erosion, carbon (C) and nitrogen (N) fluxes are linked via organo-mineral complexation, where dissolved organic molecules bind to mineral surfaces. Biofilms and suspended aggregates represent major aquatic microbial lifestyles whose relative importance changes predictably through fluvial networks. We tested how organo-mineral sorption affects aquatic microbial metabolism, using organo-mineral particles containing a mix of ¹³C, ¹⁵N-labelled amino acids. We traced ¹³C and ¹⁵N retention within biofilm and suspended aggregate biomass and its mineralisation. Organo-mineral complexation restricted C and N retention within biofilms and aggregates and also their mineralisation. This reduced the efficiency with which biofilms mineralise C and N by 30 % and 6 %. By contrast, organo-minerals reduced the C and N mineralisation efficiency of suspended aggregates by 41 % and 93 %. Our findings show how organo-mineral complexation affects microbial C:N stoichiometry, potentially altering the biogeochemical fate of C and N within fluvial ecosystems.

Pine wilt disease: a worldwide threat to forest ecosystems

The pinewood nematode (PWN), Bursaphelenchus xylophilus, the causal agent of pine wilt disease (PWD), is a serious pest and pathogen of forest tree species, in particular among the genus Pinus. It was first reported from Japan in the beginning of the XXth century, where it became the major ecological catastrophe of pine forests, with losses reaching over 2 million m3/ year in the 1980s. It has since then spread to other Asian countries such as China, Taiwan and Korea, causing serious losses and economic damage. In 1999, the PWN was first detected in the European Union (EU), in Portugal, and immmediately prompted several government (national and EU) actions to assess the extent of the nematode’s presence, and to contain B. xylophilus and its insect vector (Monochamus galloprovincialis) to an area with a 30km radius in the Setúbal Peninsula, 20 km south of Lisbon. International wood trade, with its political as well as economic ramifications, has been seriously jeopardized. The origin of the population of PWN found in Portugal remains elusive. Several hypotheses may be considered regarding pathway analysis, basically from two general origins: North America or the Far East (Japan or China). World trade of wood products such as timber, wooden crates, palettes, etc… play an important role in the potential dissemination of the pinewood nematode. In fact, human activities involving the movement of wood products may be considered the single most important factor in spreading of the PWN. Despite the dedicated and concerted actions of government agencies, this disease continues to spread. Very recently (2006), in Portugal, forestry and phytosanitary authorities (DGRF and DGPC) have announced a new strategy for the control and ultimately the erradication of the nematode, under the coordination of the national program for the control of the pinewood nematode (PROLUNP). Research regarding the bioecology of the nematode and insect as well as new detection methods, e.g., involving real-time PCR, has progressed since 1999. International agreements (GATT, WTO) and sharing of scientific information is of paramount importance to effectively control the nematode and its vector, and thus protect our forest ecosystems and forest economy.

Methodologies for a sustainable development of estuarine ecosystems

As zonas costeiras, estuarinas e lagunares são consideradas áreas muito produtivas e dotadas de grande biodiversidade sendo, por isso, consideradas de elevado valor ecológico e económico. No entanto, nas últimas décadas tem vindo a verificar-se um aumento da contaminação destes ecossistemas como resultado de diversas actividades antrópicas. As abordagens actualmente disponíveis para avaliação do impacto da poluição em ecossistemas estuarinos e lagunares apresentam diversos tipos de lacunas, pelo que é importante desenvolver metodologias mais eficazes com organismos autóctones. Neste contexto, o objectivo central desta dissertação consistiu em desenvolver e validar métodos ecologicamente relevantes para avaliação da contaminação estuarina e dos seus efeitos, utilizando o góbio-comum (Pomatoschistus microps), quer como organismo-teste quer como espécie sentinela, devido à importante função que desempenha nas cadeias tróficas de diversos estuários da costa Portuguesa. A Ria de Aveiro foi seleccionada como área de estudo principalmente pelo facto de possuir zonas com diferentes tipos de contaminação predominante e de haver conhecimento científico de base abundante e de elevada qualidade sobre este ecosistema. Na primeira fase do estudo, foram investigados os efeitos agudos de dois hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAPs) (benzo[a]pireno e antraceno), de um fuel-óleo e de dois metais (cobre e mercúrio) em P. microps, utilizando ensaios laboratoriais baseados em biomarcadores e em parâmetros comportamentais, os quais foram avaliados utilizando um dispositivo expressamente desenvolvido para o efeito, designado por speed performance device (SPEDE). Como biomarcadores foram utilizados parâmetros envolvidos em funções fisiológicas determinantes para a sobrevivência e desempenho dos animais (neurotransmissão, obtenção de energia, destoxificação e defesas anti-oxidantes), nomeadamente a actividade das enzimas acetilcolinesterase, lactato desidrogenase, CYP1A1, glutationa S-transferases, glutationa reductase, glutationa peroxidase, superóxido dismutase, catalase, tendo ainda sido determinados os níveis de peroxidação lipídica como indicador de danos oxidativos. De forma global, os resultados indicaram que os agentes e a mistura testados têm a capacidade de interferir com a função neurológica, de alterar as vias utilizadas para obtenção de energia celular, induzir as defesas antioxidantes e, no caso do cobre e do mercúrio, de causarem peroxidação lipídica. Foram ainda obtidas relações concentração-resposta a nível dos parâmetros comportamentais testados, nomeadamente a capacidade de nadar contra a corrente e a distância percorrida a nadar contra o fluxo de água, sugerindo que os agentes testados podem, por exemplo, diminuir a capacidade de fuga aos predadores, as probabilidades de captura de presas e o sucesso reprodutivo. Na segunda fase, tendo sido já adaptadas técnicas para determinação de vários biomarcadores em P. microps e estudada a sua resposta a dois grupos de poluentes particularmente relevantes em ecossistemas estuarinos e lagunares (metais e HAPs), foi efectuado um estudo de monitorização utilizando P. microps como bioindicador e que incluiu diversos parâmetros ecológicos e ecotoxicológicos, nomedamente: 20 parâmetros indicativos da qualidade da água e do sedimento, concentração de 9 metais em sedimentos e no corpo de P. microps, 8 biomarcadores e 2 índices de condição na espécie seleccionada. A amostragem foi efectuada em quatro locais da Ria de Aveiro, um considerado como referência (Barra) e três com diferentes tipos predominantes de contaminação (Vagueira, Porto de Aveiro e Cais do Bico), sazonalmente, durante um ano. Os resultados obtidos permitiram uma caracterização ecotoxicológica dos locais, incluindo informação sobre a qualidade da água, concentrações de contaminantes ambientais prioritários nos sedimentos e nos tecidos de P. microps, capacidade desta espécie para bioacumular metais, efeitos exercidos pelas complexas misturas de poluentes presentes em cada uma das zonas de amostragem nesta espécie e possíveis consequências para a população. A análise multivariada permitiu analisar de forma integrada todos os resultados, proporcionando informação que não poderia ser obtida analisando os dados de forma compartimentalizada. Em conclusão, os resultados obtidos no âmbito desta dissertação indicam que P. microps possui características adequadas para ser utilizado como organismoteste em ensaios laboratoriais (e.g. abundância, fácil manutenção, permite a determinação de diferentes tipos de critérios de efeito utilizando um número relativamente reduzido de animais, entre outras) e como organismo sentinela em estudos de monitorização da poluição e da qualidade ambiental, estando portanto de acordo com estudos de menor dimensão previamente efectuados. O trabalho desenvolvido permitiu ainda adaptar a P. microps diversas técnicas bioquímicas vulgarmente utilizadas como biomarcadores em Ecotoxicologia e validá-las quer no laboratório quer em cenários reais; desenvolver um novo bioensaio, utilizando um dispositivo de teste especialmente concebido para peixes epibentónicos baseado na performance natatória de uma espécie autóctone e em biomarcadores; relacionar os efeitos a nível bioquímico com parâmetros comportamentais que ao serem afectados podem reduzir de forma drástica e diversificada (e.g. aumento da mortalidade, diminuição do sucesso reprodutivo, redução do crescimento) a contribuição individual para a população. Finalmente, foi validada uma abordagem multidisciplinar, combinando metodologias ecológicas, ecotoxicológicas e químicas que, quando considerada de forma integrada utilizando análises de estatística multivariada, fornece informação científica da maior relevância susceptível de ser utilizada como suporte a medidas de conservação e gestão em estuários e sistemas lagunares.

Vertebrate diversity in the Bussaco Mountain and surrounding areas

A biodiversidade é fundamental para o funcionamento dos ecossistemas e, além do seu valor intrínseco, fornece bens e serviços essenciais ao Homem. É consensual que as reservas naturais, por si só, não conseguirão preservar a biodiversidade de modo a que seja travada a perda de espécies que vem acontecendo a ritmos sem precedente. Assim, compreender os padrões de distribuição das espécies à escala regional ou sub-regional, ainda que em territórios não classificados, é crucial para o estabelecimento de políticas de gestão que visem a conservação da biodiversidade. O principal objectivo deste trabalho centrou-se na descrição e compreensão dos padrões de riqueza específica, distribuição e abundância de Vertebrados face aos diversos habitats que constituem a área de estudo. Constituíram, assim, objecto de estudo os anfíbios, aves, morcegos, micromamíferos e mamíferos de médio porte. A Serra do Bussaco e áreas envolventes encontram-se dominadas por vastas extensões de monocultura de Pinus pinaster e Eucalyptus globulus e por terrenos agrícolas. A Mata Nacional do Bussaco, bosque extremamente diverso, é outro importante elemento de paisagem. Pretendeu-se então analisar o efeito das práticas silvícolas actuais e da intensificação da agricultura sobre a biodiversidade, averiguando a importância de cada tipo de habitat para os Vertebrados em geral, e para algumas classes em particular. De entre os terrenos agrícolas, é bastante claro que a agricultura tradicional, com a sua típica complexidade e disponibilidade de água, constitui um habitat muito importante para a maioria dos Vertebrados, tendo também apresentado o maior valor conservacionista. No que respeita aos habitats florestais, o bosque misto apresentou consistentemente maior riqueza específica e diversidade, afirmando-se como o habitat preferido para a maioria das espécies e aquele com maior valor conservacionista. Do ponto de vista da conservação, as monoculturas, especialmente as da uma espécie exótica, revelaram-se habitats relativamente pobres. No entanto, estas conclusões referem-se às tendências gerais, sendo que taxa particulares respondem de forma diferente, atendendo aos seus requisitos específicos. A informação recolhida fornece bases essenciais para a construção de linhas de orientação que visem a integração das actividades humanas com a manutenção da biodiversidade e respectivos serviços, presumivelmente com aplicação a outras áreas geográficas.