Equilibration of the terrestrial water, nitrogen, and carbon cycles

Recent advances in biologically based ecosystem models of the coupled terrestrial, hydrological, carbon, and nutrient cycles have provided new perspectives on the terrestrial biosphere’s behavior globally, over a range of time scales. We used the terrestrial ecosystem model Century to examine relationships between carbon, nitrogen, and water dynamics. The model, run to a quasi-steady-state, shows strong correlations between carbon, water, and nitrogen fluxes that lead to equilibration of water/energy and nitrogen limitation of net primary productivity. This occurs because as the water flux increases, the potentials for carbon uptake (photosynthesis), and inputs and losses of nitrogen, all increase. As the flux of carbon increases, the amount of nitrogen that can be captured into organic matter and then recycled also increases. Because most plant-available nitrogen is derived from internal recycling, this latter process is critical to sustaining high productivity in environments where water and energy are plentiful. At steady-state, water/energy and nitrogen limitation “equilibrate,” but because the water, carbon, and nitrogen cycles have different response times, inclusion of nitrogen cycling into ecosystem models adds behavior at longer time scales than in purely biophysical models. The tight correlations among nitrogen fluxes with evapotranspiration implies that either climate change or changes to nitrogen inputs (from fertilization or air pollution) will have large and long-lived effects on both productivity and nitrogen losses through hydrological and trace gas pathways. Comprehensive analyses of the role of ecosystems in the carbon cycle must consider mechanisms that arise from the interaction of the hydrological, carbon, and nutrient cycles in ecosystems.

A psychrophilic crenarchaeon inhabits a marine sponge: Cenarchaeum symbiosum gen. nov., sp. nov.

Archaea, one of the three major domains of extant life, was thought to comprise predominantly microorganisms that inhabit extreme environments, inhospitable to most Eucarya and Bacteria. However, molecular phylogenetic surveys of native microbial assemblages are beginning to indicate that the evolutionary and physiological diversity of Archaea is far greater than previously supposed. We report here the discovery and preliminary characterization of a marine archaeon that inhabits the tissues of a temperate water sponge. The association was specific, with a single crenarchaeal phylotype inhabiting a single sponge host species. To our knowledge, this partnership represents the first described symbiosis involving Crenarchaeota. The symbiotic archaeon grows well at temperatures of 10 degrees C, over 60 degrees C below the growth temperature optimum of any cultivated species of Crenarchaeota. Archaea have been generally characterized as microorganisms that inhabit relatively circumscribed niches, largely high-temperature anaerobic environments. In contrast, data from molecular phylogenetic surveys, including this report, suggest that some crenarchaeotes have diversified considerably and are found in a wide variety of lifestyles and habitats. We present here the identification and initial description of Cenarchaeum symbiosum gen. nov., sp. nov., a symbiotic archaeon closely related to other nonthermophilic crenarchaeotes that inhabit diverse marine and terrestrial environments.

The terminal Paleozoic fungal event: evidence of terrestrial ecosystem destabilization and collapse.

Because of its prominent role in global biomass storage, land vegetation is the most obvious biota to be investigated for records of dramatic ecologic crisis in Earth history. There is accumulating evidence that, throughout the world, sedimentary organic matter preserved in latest Permian deposits is characterized by unparalleled abundances of fungal remains, irrespective of depositional environment (marine, lacustrine, fluviatile), floral provinciality, and climatic zonation. This fungal event can be considered to reflect excessive dieback of arboreous vegetation, effecting destabilization and subsequent collapse of terrestrial ecosystems with concomitant loss of standing biomass. Such a scenario is in harmony with predictions that the Permian-Triassic ecologic crisis was triggered by the effects of severe changes in atmospheric chemistry arising from the rapid eruption of the Siberian Traps flood basalts.

Extreme clonal uniformity of Phoxinus eos/neogaeus gynogens (pisces: Cyprinidae) among variable habitats in northern Minnesota beaver ponds.

Genetic surveys of parthenogenetic vertebrate populations have demonstrated a common pattern of relatively high degrees of clonal variation and the coexistence of numerous clones. In striking contrast, the Phoxinus eos/Phoxinus neogaeus/hybrid gynogen complex of cyprinid fishes exhibits no clonal variation within a northern Minnesota drainage characterized by successional beaver ponds. Gynogens were sampled from three habitats in each of four different pond types in a single drainage in Voyageurs National Park, Minnesota. The abundance of gynogens relative to sexual dace varied with pond type, being least common in deep upland ponds and most common in shallow, collapsed, lowland ponds (13.4% and 48.6%, respectively). Simple-sequence multilocus DNA fingerprinting of 464 individual gynogens detected one, and only one, clone. DNA fingerprints, generated sequentially by using three oligonucleotide probes, (CAC)5, (GACA)4, and the Jeffreys' 33.15 probe, all revealed the same unprecedented lack of variation. The extreme lack of clonal diversity in these gynogens across a range of habitat types does not fit the general pattern of high clonal diversity found within populations of other vertebrate parthenogens.

Extraordinarily high spider densities on islands: flow of energy from the marine to terrestrial food webs and the absence of predation.

Some islands in the Gulf of California support very high densities of spiders. Spider density is negatively correlated with island size; many small islands support 50-200 spiders per m3 of cactus. Energy for these spiders comes primarily from the ocean and not from in situ productivity by land plants. We explicitly connect the marine and terrestrial systems to show that insular food webs represent one endpoint of the marine web. We describe two conduits for marine energy entering these islands: shore drift and seabird colonies. Both conduits are related to island area, having a much stronger effect on smaller islands. This asymmetric effect helps to explain the exceptionally high spider densities on small islands. Although productivity sets the maximal potential densities, predation (by scorpions) limits realized spider abundance. Thus, prey availability and predation act in concert to set insular spider abundance.

Diversificação de espécies e da morfologia em serpentes da família Viperidae: padrões e processos

A diversidade de espécies e fenotípica pode variar consideravelmente entre grupos taxonômicos e ao longo do tempo em uma mesma linhagem. O estudo de tais variações tornou-se um dos principais objetivos da biologia evolutiva fornecendo informações importantes a respeito dos possíveis mecanismos que regulam a biodiversidade. Dessa forma, o objetivo geral da presente tese foi investigar os padrões da diversificação de espécies e da morfologia em um grupo cosmopolita de serpentes, a família Viperidae, e os potenciais processos subjacentes. Primeiramente, (1) reconstruímos as relações filogenéticas e estimamos os tempos de divergência entre as linhagens da família Viperidae utilizando uma abordagem Bayesiana. (2) Aplicando um método recentemente desenvolvido (BAMM), exploramos como as taxas de especiação e extinção variaram ao longo da radiação do grupo inferindo os possíveis processos reguladores. Por fim, (3) analisamos se a evolução do tamanho do corpo e as taxas de especiação variam nos diferentes habitats ocupados pelos viperídeos (terrestres vs arborícola). Nesta tese geramos a filogenia molecular de viperídeos mais completa até o momento utilizando sequências para 11 genes mitocondriais e nucleares abrangendo 79% das espécies viventes (264 terminais) e todos com exceção de um gênero. De maneira geral, foi possível obter relações filogenéticas robustas para o grupo com a maioria dos gêneros sendo monofilética. Os tempos de divergência obtidos indicam que os viperídeos começaram a diversificar em meados do Paleoceno tardio/meio do Eoceno inferindo idades um pouco mais tardias que o encontrado em estudos anteriores. Durante a radiação do grupo, um aumento nas taxas de especiação parece ter ocorrido durante a diversificação dos crotalíneos (pit vipers) em decorrência não só da evolução das fossetas loreais mas também como resultado de mudanças geológicas e climáticas na Ásia e da invasão do novo mundo. Após este rápido aumento inicial, as taxas de especiação desaceleraram em direção ao presente. Por fim, os resultados aqui apresentados indicam que apesar dos habitats arborícolas limitarem a evolução morfológica nos viperídeos, a evolução da arborealidade parece não afetar as taxas de especiação que permanecem similares entre linhagens arborícolas e terrestres. Isto sugere dois cenários: (1) a especiação acontece de forma independente das mudanças morfológicas nos viperídeos; ou (2) o isolamento geográfico seria um mecanismo importante na diversificação de linhagens arborícolas contrabalançando decréscimos nas oportunidades de especiação possivelmente relacionados às pressões seletivas impostas pelo ambiente arborícola. A presente tese contribui para entendermos mais sobre como evoluíram os viperídeos ao longo dos seus ∼50 milhões de anos. Além de propor cenários e hipóteses a serem futuramente explorados com os viperídeos, elaboramos uma discussão ampla e conceitual a respeito dos possíveis mecanismos por trás da diversificação de espécies e da morfologia que poderiam também ser contemplados para outros grupos de organismos. Portanto, a presente tese contribui não só para entendermos os mecanismos que geram e mantém a diversidade de serpentes, mas também para enriquecer a discussão dos mecanismos que geram e mantém a biodiversidade como um todo

Análisis multitemporal del cambio de uso del suelo, en el Paisaje Terrestre Protegido Miraflor Moropotente Nicaragua, 1993-2011

El análisis multitemporal permite detectar cambios entre diferentes fechas de referencia, deduciendo la evolución del medio natural o las repercusiones de la acción humana sobre el medio. El propósito del estudio fue evaluar el cambio de uso del suelo en el Paisaje Terrestre Miraflor Moropotente en el período 1993-2011, a través de imágenes satelitales, a fin de determinar el estado de fragmentación del paisaje. Los cambios de usos de suelo fueron derivados de la clasificación de tres imágenes Landsat TM, con una resolución espacial de 30 metros tomadas en febrero de 1993, abril de 2000 y enero 2011. Se realizó una verificación en campo para la identificación de coberturas de suelo y la corroboración en las imágenes satelitales. La fragmentación se realizó con el cálculo de métricas e índices de fragmentación a nivel del paisaje. Los principales resultados muestran que los cambios de uso de suelo están determinados por la degradación antrópica, principalmente en la conversión de la vegetación nativa a espacios agrícolas y la expansión de la ganadería. El crecimiento demográfico y los monocultivos van ejerciendo presión sobre el bosque, transformando zonas de vocación forestal a cultivos agrícolas. Los cambios de cobertura han significado un paisaje fragmentado con diferentes grados de perturbación, que conllevan a una disminución de la superficie de hábitats naturales, reducción del tamaño de los fragmentos y aislamientos de los mismos.