Reconstructie van de biologische respons op klimaatsverandering op basis van verrijzenisecologie: een eco-evolutionaire benadering.

In deze doctoraatscriptie onderzochten we de respons van natuurlijke populaties van de watervlo Daphnia magna op recente klimaatsverandering. Hierbij waren we vooral geïnteresseerd in het belang van hittelgolven die de thermische limieten van soorten op de proef kunnen stellen. Eerst bespraken we de verschillende manieren waarop zoetwater ongewervelden kunnen reageren op klimaatsverandering (Hoofdstuk 1). Vervolgens bestudeerden we de warmtetolerantie van genetisch diverse artificiële D. magna populaties in mesocosmen over een periode van twee jaar. Hierbij contrasteerden we controle mesocosmen (omgevingstemperatuur) met mesocosmen waarin de temperatuur verhoogd werd (omgevingstemperatuur +4 °C). Vervolgens maakten we gebruik van een zogenaamde 'resurrection ecology' aanpak waarbij we de dormante eieren van D. magna uit het gelaagde sediment van een meer (Felbrigg Hall Lake, UK) gebruikten als een historisch archief om evolutionaire patronen te reconstrueren. Om veranderingen in warmtetolerantie te meten gebruikten we de maximale temperatuur voor activiteit (CTmax): een maat die algemeen gebruikt wordt om effecten van warmte op fitness te onderzoeken (Hoofdstuk 2). Specifiek voor dit meer ontloken we genotypes uit een historische (1955-1965) met die uit een recente (1995-2005) sedimentlaag. De doelstellingen van de studie werden uitgebreid door ook verschillen in warmtetolerantie te onderzoeken langsheen een latitudinale gradiënt in West-Europa (Hoofdstuk 3). Gebruik makend van een 'space-for-time approach' vonden we significante verschillen in warmtetolerantie. Zuidelijke populaties (Camargue, Frankrijk) vertoonden gemiddeld een hogere CTmax waarde vergeleken met noordelijke populaties (Zweden en Denemarken). Om de onderliggende mechanismen achter variatie in warmtetolerantie beter te kunnen verklaren onderzochten we verschillen in respiratie tussen dezelfde genotypes die we voor de ‘resurrection ecology’ studie hebben gebruikt. We vonden geen significante verschillen in respiratie (Hoofdstuk 4). We hadden verwacht dat genotypes met een hoge CTmax waarde een lagere respiratie zouden vertonen vergeleken met genotypes met een lage CTmax waarde. Dit kon niet bevestigd worden op basis van onze huidige gegevens. 

Het belangrijkste resultaat van deze thesis is dat natuurlijke D. magna populaties evolutionair potentieel hebben op het vlak van het CTmax kenmerk, en dat ze veranderingen in temperatuur gedurende de laatste 40 jaar opgevolgd hebben door middel van een aangepaste CTmax (Hoofdstuk 2).  We vonden ook aanwijzingen voor lokale adaptatie op het vlak van thermische tolerantie van gemiddelde maximum zomer temperaturen langsheen een latitudinale gradiënt in West-Europa (Hoofdstuk 3). Deze resultaten omvatten het eerste formele bewijs voor evolutie van warmtetolerantie doorheen de tijd in respons op klimaatsverandering en de daarmee geassocieerde toename in hittegolven.

Een tweede belangrijk resultaat is de aanwezigheid van evolutionair potentieel in het CTmax kenmerk binnen recente populaties, zowel binnen Felbrigg Hall Lake als binnen de populaties langsheen de latitudinale gradiënt (Hoofdstukken 2-3). Dit suggereert dat de bovenlimieten die overleving van watervlopopulaties zouden hypotheceren nog niet bereikt zijn, en dat er potentieel is voor een verdere verhoging van CTmax. Dit garandeert echter niet dat deze populaties ook gebufferd zijn tegen verdere trends van klimaatsopwarming.

Het derde belangrijk resultaat omvat de duidelijke associatie tussen lichaamsgrootte en thermale tolerantie. Kleinere genotypes van de “resurrection ecology” studie hadden een hogere CTmax waarde vergeleken met grotere genotypes. Hetzelfde resultaat werd gevonden in de latitudinale studie. Zuidelijke genotypes hadden een hogere CTmax en kleinere lichaamsgrootte in vergelijking met noordelijke genotypes, die algemeen groter waren. Dit resultaat is vermoedelijk het gevolg van de complexe relatie tussen temperatuur, lichaamsgrootte en zuurstof in aquatische systemen.

Ons onderzoek toonde aan dat natuurlijke populaties van D. magna evolutionair potentieel bevatten om te reageren op snelle veranderingen in temperatuur en dat zij dit ook gedaan hebben gedurende de laatste vijf decennia.

Het onderzoek onderlijnt ook het belang om onderliggende mechanismen te bestuderen die warmtetolerantie kunnen beïnvloeden, zoals lichaamsgrootte en zuurstofopname. Het is belangrijk de fysiologische limieten van organismen te begrijpen om toekomstige responsen zoals distributiepatronen te kunnen voorspellen. De snelheid van adaptatie zal bovendien ook een effect hebben op hoe soorten interageren, op het relatief belang van lokale responsen en regionale responsen van dispersie en kolonisatie, en op de competitie tussen invasieve soorten en residente populaties.