Beispiele aus der Nischenmodellierung - Zoo Frankfurt

© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VI Ökologische NischeSind diefetten Jahrevorbei?Reading 2007, Oecologia

Ökologische Nischeerträgliche biotischeInteraktion© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VIfundamentale (abiotischbiotische)Nischerealisierte NischeG.E. Hutchinson, 1957

Ökologische NischeErreichbarkeiterträgliche biotischeInteraktion© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VIfundamentale (abiotischbiotische)Nischepotentielle VerbreitungG.E. Hutchinson, 1957

Ökologische Nischenmodellierung- aus Informationen zur Nische lässt sich Verbreitung ableitenPERUBeispiel: Harlekinfrosch, Peru Fundpunkte diverser Quellen Grid ( x+ / x? ), auch ( x- ) Ähnlichkeit x? zu x+ (determ.(oder stochast. Prozesse)idealisierteNischeAtelopus pulcher© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VI

Ökologische Nischenmodellierung- Klima-Nische: climate envelope models (CEM)- Klima determinierend für viele andere ökologischeAspekte (z.B. Vegetation)- weltweite Klimamodelle verfügbar (past – present – future)© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VI

Ökologische NischenmodellierungBIOCLIM-geographischer versus ökologischer RaumBoxcarenvironmentalenvelopeParameter 1© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VI“core“ (5-95%)“marginal“ (0-100%)Parameter 2

Ökologische NischenmodellierungDOMAINDistanz (d) von x? zum nächsten (= ähnlichsten) x+ als:deren Differenz / Spannweite derNischenvariable k in einem euklidischenp-dimensionalen Raum(p = Anzahl Variablen)x? x+© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VIdAB=1ppk kk = 1 range(k)∑x+ x?|A−B|Parameter 1Parameter 2

Ökologische NischenmodellierungDOMAINDistanz (d) von x? zum nächsten (= ähnlichsten) x+ als:deren Differenz / Spannweite derNischenvariable k in einem euklidischenp-dimensionalen Raum(p = Anzahl Variablen)© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VIx+x?dAB=1ppk kk = 1 range(k)∑|A−B|Ähnlichkeit

Ökologische NischenmodellierungMAXENT- basiert auf größtmöglicher gleichmäßiger Verteilung derInformation im Raum (= maximale Entropie)- komplexes machine-learning Verfahren(Gewichtung) nach Maximum Likelihood- Pseudoabsence-Daten© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VI

Ökologische NischenmodellierungDOMAINBIOMOD viele heuristische Verfahren, teilweise GISbasierteSoftware, auch freewareModellierungsprozesse müssen stets kritischhinterfragt werdeninterpretierbar; obwohl mathematischeinwandfrei (AUC) manchmal biologischunbedeutenddiverse ‘pit falls’ (z.B. Parameterwahl,Autokorrelation)Modelle liefern IdeenGoodidea,but …© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VI

Welche Variablen?Identifikation von ‚guten‘ PrädiktorenHemidactylus turcicus© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VIRödder, Lötters, Glob Ecol Biogeogr (in press)

Welche Variablen?Predictorannual mean temperatureannual precipitationprecipitation seasonalityprecipitation wettest quarterprecipitation driest quarterprecipitation warmest quarterprecipitation coldest quarterIdentifikation von ‚guten‘ PrädiktorenHemidactylus turcicusmean monthly temperature rangemax temperature warmest monthmin temperature coldest monthmean temperature wettest quartermean temperature driest quarterSchoener's D0.470.520.540.720.430.610.620.750.680.630.380.76OverlapHellinger distance (modified)0.680.680.710.800.600.760.760.840.810.750.610.82© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VI Nischenähnlichkeit nativ / invasive variert stark zwischen PrädiktorenRödder, Lötters, Glob Ecol Biogeogr (in press)

Welche Variablen? Mögliche Verbreitung von Trachemys scripta- 375 native Populationen- 205 invasive Populationen-‚Standard‘Prädiktoren© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VI- 5 Prädiktoren speziell auf die Ökologie abgestimmt‘annual mean temperature’ (Bio1), ‘maximumtemperature of the warmest month’ (Bio5), ‘minimumtemperature of the coldest month’ (Bio6), ‘annualprecipitation’ (Bio12), ‘precipitation of the driestquarter’ (Bio17)

© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VI Welche Variablen?Rödder et al. Biol Inv, submitted’Standard’ Prädiktoren

Welche Variablen?© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VI‘Natural History’ PrädiktorenRödder et al. Biol Inv, submitted

Wie gut sind Modelle? Beispiel 1Eleutherodactylus coquiInvasive: Hawaii Native: Puerto Rico© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VISelbst in Fällen wo das Klima nicht der limitierede Faktor für dieVerbreitung ist, können die Modelle erfolgreich angewendet werdenRödder, North-West J Zool (2009)

Wie gut sind Modelle? Beispiel 1Eleutherodactylus coquiInvasive: Hawaii Native: Puerto Rico© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VISelbst in Fällen wo das Klima nicht der limitierede Faktor für dieVerbreitung ist, können die Modelle erfolgreich angewendet werdenRödder, North-West J Zool (2009)

Wie gut sind Modelle? Beispiel 2© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VIKubalaubfroschOsteopilus septentrionalisRödder & Weinsheimer, J Nat Hist (2009)

Wie gut sind Modelle? Beispiel 2© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VIInvasive Verbreitung Vorhersage basierend aufOsteopilus septentrionalisnativer VerbreitungRödder & Weinsheimer, J Nat Hist (2009)

Anwendungsbeispiele: DiversitätsmusterMultiple-species approach:Identifikation von Regionen mithohem Artenreichtum (Endemismus) hohe Schutzwürdigkeit!© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VI

Anwendungsbeispiele: DiversitätsmusterMultiple-species approach- Nischenmodelle aller terrestrischenVertebraten-Arten-overlaytop 10%priority© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VIMaximum Entropy

Global warming – das große Artensterben?Wie können Arten reagieren?- Anpassung (niche shift): ???© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VI

Niche shiftDisturbance-vicarianceHypothese bei HarlekinfröschenAtelopus© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VI

Niche shiftDisturbance-vicarianceHypothese bei HarlekinfröschenMiozän (kalt)Atelopus© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VIHolozän (warm)

Niche shiftDisturbance-vicarianceHypothese bei HarlekinfröschenErwartung 1: climate envelope shiftAtelopus© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VITemperaturHolozän140.00021.000heute

Niche shiftDisturbance-vicarianceHypothese bei HarlekinfröschenErwartung 1: climate envelope shiftErwartung 2: potentielle AllopatrieAtelopus© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VITemp[°C]Lötters et LGM al. Biodiv Conserv, submittedheute

Niche shiftDisturbance-vicarianceHypothese bei HarlekinfröschenErwartung 1: climate envelope shiftErwartung 2: potentielle Allopatrie© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VITemp[°C]Lötters et LGM al. Biodiv Conserv, submittedheuteMaximum Entropy

Global warming – das große Artensterben?Wie können Arten reagieren?- Anpassung (niche shift): ???, eher unwahrscheinlich, zu schnell- gar nicht nötig, da Nische breit genug (niche breadth): ???© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VI

Nische breit genug?Bei ErwärmungRealisierte SpanneFundamentale NischeTemperatur© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VITemperatur

Nische breit genug?Bei ErwärmungRealisierte SpanneFundamentale NischeTemperatur© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VITemperatur

Global warming – das große Artensterben?Wie können Arten reagieren?- Anpassung (niche shift): ???, eher unwahrscheinlich, zu schnell- gar nicht nötig, da Nische breit genug (niche breadth): ???- Translokation: horizontal/vertikal (niche conservatism geogr. range shift)© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VI

TranslokationBeispiel Dendrobates leucomelas- Mögliche Verbreitung 2100 größer- Qualität in heutiger Verbreitung nimmt 2100 abrange shiftmöglich?Maximum Entropy21,000 BP (LGM) heute 2 x CO 2 (ca. 2100)

TranslokationBeispiel Ameerega flavopicta- Mögliche Verbreitung 2100 kleiner- Heutiges Areal 2100 weniger abgedecktrange shiftnicht möglich© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VIMaximum Entropy21,000 BP (LGM) heute 2 x CO 2 (ca. 2100)

© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VI Global warming – Veränderungen in EuropaVerluste Gewinne

Global warming – Veränderungen in Europa© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VIAraújo et al. 2006, J Biogeogr; Henle et al. 2008, unpubl. Report

Vielen Dank für Ihre AufmerksamkeitDanksagungFür gute Betreuung / Zusammenarbeit / Bereitstellung von DatenWolfgang Böhme, Joseph Bernardo, Jon Bielby, Jaime Bosch, Matthew Fisher,Trenton W. Garner, Jan Habel, Célio B. F. Haddad, Robert J. Hijmans, JosKielgast, Enrique La Marca, Steffen Reichle, Mirco Solé, SebastianSchmidtlein, Michael Veith, Susan F. Walker, Philipp Wagner, FrankWeinsheimer© S. Lötters et al., Uni Trier, FB VIFür finanzielle Unterstützung-Graduiertenförderung des Landes Nordrhein-Westfalen-Alexander Koenig Gesellschaft-Universität Trier-Deutsche Gesellschaft für Herpetologie und Terrarienkunde