High-resolution reconstruction of Holocene climate variability and environmental changes in the North Pacific using bivalve shells

Bivalve mollusk shells are useful tools for multi-species and multi-proxy paleoenvironmental reconstructions with a high temporal and spatial resolution. Past environmental conditions can be reconstructed from shell growth and stable oxygen and carbon isotope ratios, which present an archive for temperature, freshwater fluxes and primary productivity. The purpose of this thesis is the reconstruction of Holocene climate and environmental variations in the North Pacific with a high spatial and temporal resolution using marine bivalve shells. This thesis focuses on several different Holocene time periods and multiple regions in the North Pacific, including: Japan, Alaska (AK), British Columbia (BC) and Washington State, which are affected by the monsoon, Pacific Decadal Oscillation (PDO) and El Niño/Southern Oscillation (ENSO). Such high-resolution proxy data from the marine realm of mid- and high-latitudes are still rare. Therefore, this study contributes to the optimization and verification of climate models. However, before using bivalves for environmental reconstructions and seasonality studies, life history traits must be well studied to temporally align and interpret the geochemical record. These calibration studies are essential to ascertain the usefulness of selected bivalve species as paleoclimate proxy archives. This work focuses on two bivalve species, the short-lived Saxidomus gigantea and the long-lived Panopea abrupta. Sclerochronology and oxygen isotope ratios of different shell layers of P. abrupta were studied in order to test the reliability of this species as a climate archive. The annual increments are clearly discernable in umbonal shell portions and the increments widths should be measured in these shell portions. A reliable reconstruction of paleotemperatures may only be achieved by exclusively sampling the outer shell layer of multiple contemporaneous specimens. Life history traits (e.g., timing of growth line formation, duration of the growing season and growth rates) and stable isotope ratios of recent S. gigantea from AK and BC were analyzed in detail. Furthermore, a growth-temperature model based on S. gigantea shells from Alaska was established, which provides a better understanding of the hydrological changes related to the Alaska Coastal Current (ACC). This approach allows the independent measurement of water temperature and salinity from variations in the width of lunar daily growth increments of S. gigantea. Temperature explains 70% of the variability in shell growth. The model was calibrated and tested with modern shells and then applied to archaeological specimens. The time period between 988 and 1447 cal yrs BP was characterized by colder (~1-2°C) and much drier (2-5 PSU) summers, and a likely much slower flowing ACC than at present. In contrast, the summers during the time interval of 599-1014 cal yrs BP were colder (up to 3°C) and fresher (1-2 PSU) than today. The Aleutian Low may have been stronger and the ACC was probably flowing faster during this time.

Implications of regional fault distribution and kinematics for the uplift of rift flanks around the Rwenzori Mountains, Southwestern Uganda

Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Untersuchung der Störungsverteilung und der Störungskinematik im Zusammenhang mit der Hebung der Riftschultern des Rwenzori Gebirges.rnDas Rwenzori Gebirge befindet sich im NNE-SSWbis N-S verlaufenden Albertine Rift, des nördlichsten Segments des westlichen Armes des Ostafrikanischen Grabensystems. Das Albertine Rift besteht aus Becken unterschiedlicher Höhe, die den Lake Albert, Lake Edward, Lake George und Lake Kivu enthalten. Der Rwenzori horst trennt die Becken des Lake Albert und des Lake Edward. Es erstreckt sich 120km in N-S Richtung, sowie 40-50km in E-W Richtung, der h¨ochste Punkt befindet sich 5111 ü. NN. Diese Studie untersucht einen Abschnitt des Rifts zwischen etwa 1°N und 0°30'S Breite sowie 29°30' und 30°30' östlicher Länge ersteckt. Auch die Feldarbeit konzentrierte sich auf dieses Gebiet.rnrnHauptzweck dieser Studie bestand darin, die folgende These auf ihre Richtigkeit zu überprüfen: ’Wenn es im Verlauf der Zeit tatsächlich zu wesentlichen Änderungen in der Störungskinematik kam, dann ist die starke Hebung der Riftflanken im Bereich der Rwenzoris nicht einfach durch Bewegung entlang der Graben-Hauptst¨orungen zu erklären. Vielmehr ist sie ein Resultat des Zusammenspiels mehrerer tektonische Prozesse, die das Spannungsfeld beeinflussen und dadurch Änderungen in der Kinematik hervorrufen.’ Dadurch konzentrierte sich die Studie in erster Linie auf die Störungsanalyse.rnrnDie Kenntnis regionaler Änderungen der Extensionsrichtung ist entscheidend für das Verständnis komplexer Riftsysteme wie dem Ostafrikanischen Graben. Daher bestand der Kern der Untersuchung in der Kartierung von Störungen und der Untersuchung der Störungskinematik. Die Aufnahme strukturgeologischer Daten konzentrierte sich auf die Ugandische Seite des Rifts, und Pal¨aospannungen wurden mit Hilfe von St¨orungsdaten durch Spannungsinversion rekonstruiert.rnDie unterschiedliche Orientierung spr¨oder Strukturen im Gelände, die geometrische Analyse der geologischen Strukturen sowie die Ergebnisse von Mikrostrukturen im Dünnschliff (Kapitel 4) weisen auf verschiedene Spannungsfelder hin, die auf mögliche Änderungen der Extensionsrichtung hinweisen. Die Resultate der Spannungsinversion sprechen für Ab-, Über- und Blattverschiebungen sowie für Schrägüberschiebungen (Kapitel 5). Aus der Orientierung der Abschiebungen gehen zwei verschiedene Extensionsrichtungen hervor: im Wesentlichen NW-SE Extension in fast allen Gebieten, sowie NNE-SSW Extension im östlichen Zentralbereich.rnAus der Analyse von Blattverschiebungen ergaben sich drei unterschiedliche Spannungszustände. Zum Einen NNW-SSE bis N-S Kompression in Verbindung mit ENE-WSW bzw E-W Extension wurde für die nördlichen und die zentralen Ruwenzoris ausgemacht. Ein zweiter Spannungszustand mit WNW-ESE Kompression/NNE-SSW Extension betraf die Zentralen Rwenzoris. Ein dritter Spannungszustand mit NNW-SSE Extension betraf den östlichen Zentralteil der Rwenzoris. Schrägüberschiebungen sind durch dazu schräge Achsen charakterisiert, die für N-S bis NNW-SSE Kompression sprechen und ausschließlich im östlichen Zentralabschnitt auftreten. Überschiebungen, die hauptsächlich in den zentralen und den östlichen Rwenzoris auftreten, sprechen für NE-SW orientierten σ2-Achsen und NW-SE Extension.rnrnEs konnten drei unterschiedliche Spannungseinflüsse identifiziert werden: auf die kollisionsbedingte Bildung eines Überschiebungssystem folgte intra-kratonische Kompression und schließlich extensionskontrollierte Riftbildung. Der Übergang zwischen den beiden letztgenannten Spannungszuständen erfolgte Schrittweise und erzeugte vermutlich lokal begrenzte Transpression und Transtension. Gegenw¨artig wird die Störungskinematik der Region durch ein tensiles Spannungsregime in NW-SE bis N-S Richtung bestimmt.rnrnLokale Spannungsvariationen werden dabei hauptsächlich durch die Interferenzrndes regionalen Spannungsfeldes mit lokalen Hauptst¨orungen verursacht. Weitere Faktoren die zu lokalen Veränderungen des Spannungsfeldes führen können sind unterschiedliche Hebungsgeschwindigkeiten, Blockrotation oder die Interaktion von Riftsegmenten. Um den Einfluß präexistenter Strukturen und anderer Bedingungen auf die Hebung der Rwenzoris zu ermitteln, wurde der Riftprozeß mit Hilfe eines analogen ’Sandbox’-Modells rekonstruiert (Kapitel 6). Da sich die Moho-Diskontinuität im Bereich des Arbeitsgebietes in einer Tiefe von 25 km befindet, aktive Störungen aber nur bis zu einer Tiefe von etwa 20 km beobachtet werden können (Koehn et al. 2008), wurden nur die oberen 25 km im Modell nachbebildet. Untersucht und mit Geländebeobachtungen verglichen wurden sowohl die Reihenfolge, in der Riftsegmente entstehen, als auch die Muster, die sich im Verlauf der Nukleierung und des Wachstums dieser Riftsegmente ausbilden. Das Hauptaugenmerk wurde auf die Entwicklung der beiden Subsegmente gelegt auf denen sich der Lake Albert bzw. der Lake Edward und der Lake George befinden, sowie auf das dazwischenliegende Rwenzori Gebirge. Das Ziel der Untersuchung bestand darin herauszufinden, in welcher Weise das südwärts propagierende Lake Albert-Subsegment mit dem sinistral versetzten nordwärts propagierenden Lake Edward/Lake George-Subsegment interagiert.rnrnVon besonderem Interesse war es, in welcherWeise die Strukturen innerhalb und außerhalb der Rwenzoris durch die Interaktion dieser Riftsegmente beeinflußt wurden. rnrnDrei verschiedene Versuchsreihen mit unterschiedlichen Randbedingungen wurden miteinander verglichen. Abhängig vom vorherrschenden Deformationstyp der Transferzone wurden die Reihen als ’Scherungs-dominiert’, ’Extensions-dominiert’ und als ’Rotations-dominiert’ charakterisiert. Die Beobachtung der 3-dimensionalen strukturellen Entwicklung der Riftsegmente wurde durch die Kombination von Modell-Aufsichten mit Profilschnitten ermöglicht. Von den drei genannten Versuchsreihen entwickelte die ’Rotationsdominierten’ Reihe einen rautenförmiger Block im Tranferbereich der beiden Riftsegmente, der sich um 5−20° im Uhrzeigersinn drehte. DieserWinkel liegt im Bereich des vermuteten Rotationswinkel des Rwenzori-Blocks (5°). Zusammengefasst untersuchen die Sandbox-Versuche den Einfluss präexistenter Strukturen und der Überlappung bzw. Überschneidung zweier interagierender Riftsegmente auf die Entwicklung des Riftsystems. Sie befassen sich darüber hinaus mit der Frage, welchen Einfluss Blockbildung und -rotation auf das lokale Stressfeld haben.

Are there genetic breaks between Atlantic and Pacific Yellowfin tuna (Thunnus albacares) populations? A preliminary study based on microsatellites gene variation

Yellowfin tuna (Thunnus albacares, YFT, Bonnaterre 1788) is one of the most important market tuna species in the world. The high mortality of juveniles is in part caused by their bycatch. Indeed, if unregulated, it could permanently destabilize stocks health. For this reason investigating and better knowing the stock boundaries represent a crucial concern. Aim of this thesis was to preliminary investigate the YFT population structure within and between Atlantic and Pacific Oceans through the analysis of genetic variation at eight microsatellite loci and assess the occurrence of barriers to the gene flow between Oceans. For this propouse we collected 4 geographical samples coming from Atlantic and Pacific Ocean and selected a panel of 8 microsatellites loci developped by Antoni et al., (2014). Samples 71-2-Y and 77-2-Y, came from rispectively west central pacific ocean (WCPO) and east central pacific ocean (ECPO), instead samples 41-1-Y and 34-2-Y derive from west central atlantic ocean (WCAO) and east central atlantic ocean (ECAO). Total 160 specimens were analyzed (40 per sample) and were carried out several genetic information as allele frequencies, allele number, allelic richness, HWE (using He and Ho) and pairwise Fst genetic distance. Results obtained, may support the panmictic theory of this species, only one of pairwise Fst obtained is statistically significant (Fst= 0.00927; pV= 0.00218) between 41-1-Y and 71-2-Y samples. Results suggest low genetic differentiation and consequent high level of gene flow between Atlantic and Pacific populations. Furthermore, we performed an analysis of molecular taxonomy through the use of ATCO (the flaking region between ATPse6 and cytochrome oxidase subunit III genes mt DNA, to discriminate within the gener Thunnus two of the related species (Yellofin and bigeye tuna) according with their difficult recognition at certain size (<40 cm). ATCO analysis in this thesis, has provided strong discriminate evidence between the target species proving to be one of the most reliable genetic tools capable to indagate within the genus Thunnus. Thus, our study has provided useful information for possible use of this protocol for conservation plans and management of this fish stocks.

Assessment of the resilience of coral reefs to natural and human disturbances by means of recruitment panels in Indo-Pacific

Indo-Pacific region encompasses about 75% of world's coral reefs, but hard coral cover in this region experienced a 32% region-wide decline since 1970s. This great change is primarily ascribable to natural and anthropogenic pressures, including climate change and human activities effects. Coral reef conservation requires management strategies oriented to maintain their diversity and the capacity to provide ecosystem goods and services. Coral reef resilience, i.e. the capacity to recover after disturbances, is critical to their long-term persistence. The aims of the present study were to design and to test field experiments intended to measure changes in recruitment processes, as a fundamental aspect of the coral reef resilience. Recruitment experiments, using artificial panels suspended in the water column, were carried out in two Indo-Pacific locations affected by different disturbances: a new mine in Bangka Island (Indonesia), and the increased sedimentation due to coastal dynamics in Vavvaru Island (Maldives). One (or more) putatively disturbed site(s) was selected to be tested against 3 randomly selected control sites. Panels’ arrangement simulates 2 proximities to living corals, i.e. the sources of propagules: few centimetres and 2 meters over. Panels were deployed simultaneously at each site and left submerged for about five months. Recruits were identified to the lowest possible taxonomic level and recruited assemblages were analysed in terms of percent cover. In general it was not possible to detect significant differences between the benthic assemblages recruited in disturbed and control sites. The high variability observed in recruits assemblages structure among control sites may be so large to mask the possible disturbance effects. Only few taxa showed possible effects of the disturb they undergo. The field tests have highlighted strengths and weaknesses of the proposed approach and, based on these results, some possible improvements were suggested.

Pacific States National Print Biennial, University of Hawaii, Hilo

Pacific States National Print Biennial University of Hawaii, Hilo Dec 2012-April 2013

UV Responses in Native Hawaiians or Other Pacific Islanders and Asians Residing in Hawaiʻi and in Maryland

Background: UV exposure causes a wide range of skin damage including cutaneous melanoma. The mechanisms of cellular and molecular damage as well as erythemal and pigmentation responses to UV exposure have largely been studied in the White population. Methods: This study systematically investigates responses to UV exposure in the Native Hawaiian and Pacific Islanders (NHPI) and Asian populations living in Hawai’i (A/HI) as well as in Asians living in Maryland (A/MD). Results: Our analyses indicate that the NHPI population is less sensitive to UV exposure than the A/HI population. Comparisons between the two Asian groups suggest that, despite slightly but not statistically different baseline constitutive pigmentation (pre-UV exposure), the A/HI and A/MD had similar UV sensitivity, measured as minimal erythemal dose (MED). However, the A/MD population had higher levels of oxy-hemoglobin at doses of 2.0, 2.8 and 4.0 MED. Unexpectedly the A/MD subjects retained higher levels of pigmentation 2 weeks post UV exposure. Conclusion: This study provides insight into UV responses of the inhabitants of Hawai’i and shows that such responses are statistically significant for relatively small samples of Native Hawaiian and Pacific Islanders, and for Asians living in Hawai’i and Asians living in Maryland.