Vermischung von Theorie und Beobachtung, um sich eine wärmere Welt vorzustellen

Klimaveränderungen beschwören einen Wirbelsturm herauf, der einigen Kreaturen Möglichkeiten zum Gedeihen zu bieten scheint. Wissenschaftler, die aufgeladene Szenarien schreiben, warnen davor, dass der Unterschied zwischen saisonaler Bewältigung und langfristiger Anpassung enorm ist – und schwierig vorherzusagen.

Biologen der Michigan State University haben Kleinlibellen – die Libellen ähneln und in Feuchtgebieten sowohl als Räuber als auch als Beute reichlich vorkommen – untersucht, um zu verstehen, was während ihres Lebenszyklus von der Nymphe zum geflügelten Insekt passiert, zusammen mit dem, was sie essen, wenn die Sommer wärmer und länger werden.

Ihre Arbeit in dieser Woche Verfahren der Royal Society B hat eine Wendung – die Kombination von Jahreszeiten der Beobachtungs- und experimentellen Arbeit im Feld und im Labor mit dem Input eines theoretischen Ökologen, eines ausgebildeten Mathematikers mit übergroßen Modellierungskenntnissen.

Die Ergebnisse: Ein realistischerer Blick darauf, was ein heißer Sommer einem nahe gelegenen Teich bringen kann, und neuer Respekt vor der atemberaubenden Geschwindigkeit, die die globale Erwärmung mit sich bringt.

„Wir sehen, dass das Tempo des Klimawandels viel schneller ist, als Organismen in ihrer evolutionären Erfahrung ausgehalten haben“, sagte Co-Autorin Phoebe Zarnetske, außerordentliche Professorin für integrative Biologie

PI des Spatial and Community Ecology (SpaCE) Lab und Direktor, IBEEM. „Dieses schnelle Tempo wird mit der Zunahme von Extremereignissen wie Hitzewellen noch mehr zum Problem.“

Die Arbeit in „Lebensgeschichtliche Reaktionen auf Temperatur und Saisonalität vermitteln ectotherme Verbraucher-Ressourcen-Dynamik unter Klimaerwärmung“ stellt fest, dass das Einfügen der richtigen Datenmenge aus Felderfahrungen, insbesondere die Auswirkungen saisonaler Temperaturänderungen auf Verbraucherlebenszyklen, mehr schafft robustes Räuber-Beute-Simulationsmodell.

Die Arbeit unterscheidet sich von den Ergebnissen ähnlicher Modelle mit weniger biologischem Realismus, wonach vorhergesagte Erwärmungstrends Raubtiere zum Scheitern bringen würden. Sie sehen Michigan-Jungfern, die die Klimaerwärmung überleben, indem sie in einen Lebenszyklus wechseln, der ihren südlichen Verwandten ähnelt – sie quietschen zwei Lebenszyklen in einer Saison und nicht nur einen.

Die Arbeit entwickelte sich aus der Arbeit der Erstautorin Laura Twardochleb als Ph.D. Student in Zarnetskes Labor. Sie hatte einige Zeit damit verbracht, den einjährigen Lebenszyklus von Kleinlibellen in Michigan zu beobachten. Sie tauchen im Frühjahr als Erwachsene aus Teichen auf. Sie paaren sich, vermehren sich und die Jungtiere wachsen über ein Jahr im Teich heran, indem sie Zooplankton fressen. Sie seien gute Studienobjekte, sagte sie, weil sie sowohl draußen als auch im Labor gedeihen.

Twardochleb, jetzt beim California State Water Resources Control Board, war Teil des MSU-Programms für Ökologie, Evolution und Verhalten und nahm als Teil davon an einem Kurs von Chris Klausmeier, MSU-Stiftungsprofessor für Pflanzenbiologie und integrative Biologie, teil.

Sie sah, dass frühe Modelle, die vorhersagten, wie sich wärmende Klimazonen auf wechselwarme Raubtiere auswirken würden, wesentlich einfacher waren als die Natur, die sie beobachtete. Zum einen ließen die Modelle den Jahreszeitenwechsel des Nordens nicht zu. Die Modelle verfolgten auch nicht die Größe und Wachstumsrate eines Raubtiers und Veränderungen in seinem Lebenszyklus mit Erwärmung.

In der Zwischenzeit erkannte Klausmeier, ein theoretischer Ökologe, die besondere Soße, die ein Experimentator mitbringt, wenn er mathematische Modelle erstellt, die Annahmen darüber treffen, wie sich Organismen verhalten, wachsen, geboren und sterben.

„Ich kann mir jedes Modell ausdenken, das ich möchte, ohne von der Realität eingeschränkt zu werden“, sagte Klausmeier. „Aber das ist ein bisschen gefährlich, weil man natürlich etwas mit der realen Welt zu tun haben möchte. Wenn man sich einem Experimentator anschließt, kann man nicht nur die experimentellen Ergebnisse und Parameter einbringen, sondern auch die tiefe Naturgeschichte und das Wissen um das System kennen lernen Schlüsselvariablen und Einschränkungen.“

Die Arbeit, die ein wärmeres, aber immer noch saisonales Klima berücksichtigt, zeigt, wie die Kleinlibellen schneller wachsen und sich vermehren können. Sie schufen ein Modell, das es den virtuellen Libellen nur erlaubte, einen einjährigen Lebenszyklus in einer wärmeren Welt zu leben, sie brannten aus und starben. Das Aussterben stand am Horizont.

Aber gestatten Sie den Käfern die Möglichkeit, zwei Generationen in eine Saison zu bringen, und das Gedeihen war eine Möglichkeit. „Viele Models sagten [predators] verhungern würden“, sagte Twardochleb. „Das ist das Aufregende – dass wir Modelle realistischer machen können.“

Twardochleb sagte, die Arbeit sei eine gute Grundlage, um zu verstehen, wie andere Arten auf eine wärmere Welt reagieren werden, insbesondere Arten wie Mücken, die sowohl lästig sind als auch möglicherweise Krankheiten übertragen.

Zarnetske fügte hinzu, dass die ständige Herausforderung über die Vorstellung hinausgehen werde, dass sich verschiedene Arten an eine neue Welt anpassen werden. Der Klimawandel überflügelt diese Art von Evolution in beispielloser Weise. Und die Wetterextreme – Hitzewellen, Dürren, Überschwemmungen – sind eine ganze Variable.

„Das ist unser nächster Schritt“, sagte Zarnetske. „Unvorhersehbarkeit ist hart.“