Förbättrad modell förutsäger effekter av global uppvärmning på näringsvävar

Artutdöende, stora svängningar i populationstäthet och omfattande algblomningar i våra vatten är exempel på förväntade effekter av global uppvärmning och människodriven övergödning. Wojciech Uszko visar i sin avhandling hur relativt enkla matematiska modeller kan hjälpa oss att förstå mekanismerna bakom dessa fenomen och prognostisera konsekvenserna av miljöförändring på näringsvävars dynamik.

I sin avhandling har Wojciech Uszko undersökt hur rovdjurs ätbeteende, miljöns temperatur och gödningseffekt påverkar de grundläggande byggstenarna i näringsvävar, det vill säga rovdjur-bytesinteraktioner. Bara en liten ökning av temperaturen eller i tillgången på ett begränsande näringsämne kan teoretiskt störa populationsjämvikten mellan rovdjur och deras bytesdjur – från en stabil samexistens, med ungefär konstanta populationsdensiteter, till vilda svängningar i antal eller till och med utrotning av rovdjuret. Men hur och när detta sker diskuteras fortfarande bland ekologer.

Som modellorganism kring denna frågeställning har Wojciech Uszko använt sig av vattenloppa, Daphnia hyalina. Det är ett djurplankton som är mycket vanligt i alla sötvattensmiljöer och det livnär sig på växtplankton.

Trots att övergödning kan skifta rovdjur-bytesdynamiken från stabil till oscillerande, kan rovdjur och byte samexistera på ett stabilt sätt om rovdjurets ätbeteende är sådant att det äter mindre vid låga bytestätheter.

– Jag fann i mina labbexperiment att Daphnia visar just detta ätbeteende, något som tidigare har förbisetts trots att Daphnia är en väl studerad organism inom forskningen, säger Wojciech Uszko.

Om rovdjur och bytesdjur kan samexistera stabilt eller inte beror också på miljöns temperatur.

– Mina resultat från labbexperimenten och modelleringar visar att det finns ett optimalt temperaturområde för födointag och Daphnia har låga födointag både under och över detta optimala temperaturintervall. Detta, i sin tur, möjliggör för algerna att periodiskt slippa hård predation, vilket leder till populationssvängningar och så småningom utrotning av rovdjuret om temperaturen förblir inoptimal.

Wojciech Uszko presenterar i sin avhandling en relativt enkel matematisk modell som kan förena en mängd, ofta kontrasterande, tidigare fynd om effekter av temperatur och övergödning på populationsstabilitet.

– Kunskap om att rovdjuret minskar sin ansträngning att skaffa föda vid låga bytestätheter samt att rovdjurets prestanda avtar både under och över det optimala temperaturområdet är avgörande för att korrekt kunna förutsäga konsekvenserna av uppvärmning och övergödning. Dessa specialfunktioner har tidigare försummats i modeller av den globala uppvärmningens effekt på näringsvävsdynamiken, säger Wojciech Uszko.

Resultaten av de matematiska modelleringarna jämfördes med experiment ute i fält. Modellernas prognos går hand i hand med de experimentella resultaten, vilka visar att uppvärmningen kan leda till en utbredd algblomning och näst intill utrotning av zooplanktonsamhället. Det visade sig att under varmare förhållanden så växer algsamhället förbi djurplanktonen och mängden näringsämnen blir begränsande. Som ett resultat blir antalet alger stort men av extremt dålig kvalitet och kan följaktligen inte sörja för zooplanktonens tillväxt.

– Uppvärmningseffekter kan vara mycket varierande och ofta krångliga. Att identifiera några kritiska processer och införliva dem i matematiska modeller kan hjälpa ekologer att korrekt beskriva och prognosticera effekterna av miljöförändringar på näringsvävar, säger Wojciech Uszko.

Läs en digital publicering av avhandlingen

http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:umu:diva-124876

För mer information, kontakta gärna:

Wojciech Uszko, Institutionen för ekologi, miljö och geovetenskap, Umeå universitet Telefon: 090-786 74 61
E-post: wojciech.uszko@gmail.com

Wojciech Uszko har en kandidat- och en masterexamen i biologi från the University of Warsaw, Poland. Efter avslutade universitetsstudier arbetade han vid the Institute for Environment and Sustainability of the European Commission's Joint Research Centre i Ispra, Italien. År 2010 startade han sina doktorandstudier vid Umeå universitet.

Om disputationen:

Tisdagen den 20 September försvarar Wojciech Uszko, Institutionen för ekologi, miljö och geovetenskap vid Umeå universitet, sin avhandling med titeln "Effects of warming and nutrient enrichment on feeding behavior, population stability and persistence of consumers and their resources". Svensk titel: "Effekter av temperatur och näringsanrikning på födobeteende och stabilitet i konsument- och resurspopulationer".
Disputationen äger rum klockan 9:30 i sal KB3A9 (Lilla Hörsalen) i KBC-huset, Umeå universitet.Fakultetsopponent är Professor David A. Vasseur, Department of Ecology and Evolutionary Biology, Yale University, USA.