Life on oceanic islands provides a playground and comparably easy\-/studied basis for the understanding of biodiversity in general. Island biota feature many fascinating patterns: endemic species, species radiations and species with peculiar trait syndromes. However, classic and current island biogeography theory does not yet consider all the factors necessary to explain many of these patterns. In response to this, there is currently a shift in island biogeography research to systematically consider species traits and thus gain a more functional perspective. Despite this recent development, a set of species characteristics remains largely ignored in island biogeography, namely genomic traits. Evidence suggests that genomic factors could explain many of the speciation and adaptation patterns found in nature and thus may be highly informative to explain the fascinating and iconic phenomena known for oceanic islands, including species radiations and susceptibility to biotic invasions. Unfortunately, the current lack of comprehensive meaningful data makes studying these factors challenging. Even with paleontological data and space-for-time rationales, data is bound to be incomplete due to the very environmental processes taking place on oceanic islands, such as land slides and volcanism, and lacks causal information due to the focus on correlative approaches. As promising alternative, integrative mechanistic models can explicitly consider essential underlying eco\-/evolutionary mechanisms. In fact, these models have shown to be applicable to a variety of different systems and study questions. In this thesis, I therefore examined present mechanistic island models to identify how they might be used to address some of the current open questions in island biodiversity research. Since none of the models simultaneously considered speciation and adaptation at a genomic level, I developed a new genome- and niche-explicit, individual-based model. I used this model to address three different phenomena of island biodiversity: environmental variation, insular species radiations and species invasions. Using only a single model I could show that small-bodied species with flexible genomes are successful under environmental variation, that a complex combination of dispersal abilities, reproductive strategies and genomic traits affect the occurrence of species radiations and that invasions are primarily driven by the intensity of introductions and the trait characteristics of invasive species. This highlights how the consideration of functional traits can promote the understanding of some of the understudied phenomena in island biodiversity. The results presented in this thesis exemplify the generality of integrative models which are built on first principles. Thus, by applying such models to various complex study questions, they are able to unveil multiple biodiversity dynamics and patterns. The combination of several models such as the one I developed to an eco\-/evolutionary model ensemble could further help to identify fundamental eco\-/evolutionary principles. I conclude the thesis with an outlook on how to use and extend my developed model to investigate geomorphological dynamics in archipelagos and to allow dynamic genomes, which would further increase the model's generality. / Inseln sind nützliche Modellsysteme für das Verständnis von Biodiversität im Allgemeinen. Dies wird verstärkt durch den Umstand, dass Flora und Fauna auf Inseln eine Vielzahl einzigartiger Phänomene aufweisen: von endemischen Arten über Artenradiationen bis hin zu außergewöhnlichen Arteigenschaften. Bisherige Theorien der Inselbiogeographie berücksichtigen jedoch nicht alle Faktoren, die nötig wären, um solche Phänomene zu erklären. Derzeitige Bemühungen zielen daher darauf ab, Arteigenschaften systematisch mit bestehenden Theorien zu vereinen. Trotz dieser Entwicklung werden genomische Arteigenschaften bislang in solch einer funktionalen Inselbiogeographie weitestgehend ignoriert, obwohl es Hinweise darauf gibt, dass genomische Faktoren einige der faszinierenden Diversifizierungsmuster einschließlich Artenradiationen erklären könnten. Die Erforschung dieser Faktoren gestaltet sich aufgrund des Mangels an umfangreichen, aussagekräftigen Daten jedoch als schwierig. Selbst unter Zuhilfenahme von paläontologischen Daten und substituierten Daten aus vergleichbaren Systemen lassen sich Unvollständigkeiten in den Daten und das Problem fehlender Kausalzusammenhänge schwer überwinden. Eine vielversprechende Alternative stellen mechanistische Modelle dar, von denen einige bereits für eine Vielzahl von Systemen und Forschungsprojekten eingesetzt wurden. In dieser Dissertation wurden daher mechanistische Inselmodelle untersucht, um herauszufinden, inwiefern sich diese für derzeitige offene Fragen in der Inselbiogeographie eignen würden. Da keines der untersuchten Modelle gleichzeitig Artbildung and Anpassung unter Berücksichtigung von genomischen Faktoren abbildet, wurde ein neues genom- und nischenexplizites, individuenbasiertes Modell entwickelt. Dieses wurde benutzt, um drei verschiedene Phänomene im Kontext der Inselbiogeographie zu untersuchen: die Anpassung an Umweltvariation, Artenradiationen und Invasionen durch exotische Arten. Mit diesem neuentwickeltem Modell konnte gezeigt werden, dass kleinere Arten mit flexiblen Genomen unter variablen Umwelteigenschaften erfolgreicher sind, dass eine komplexe Kombination aus Ausbreitungsfähigkeiten, Fortpflanzungsstrategien und genomischen Arteigenschaften das Entstehen von Artenradiationen beeinflussen und dass Invasionen vor allem von der Einführungsintensität und den Arteigenschaften exotischer Arten getrieben sind. Diese Ergebnisse demonstrieren, wie die Berücksichtigung funktionaler Arteigenschaften dabei helfen kann, einige bislang wenig untersuchte Phänomene der Inselbiogeographie zu verstehen. Die Ergebnisse dieser Dissertation stehen beispielhaft für die Allgemeingültigkeit integrativer, auf Grundzusammenhängen aufbauender Modelle. Dies wird durch die Aufdeckung diverser Biodiversitätsmuster und -dynamiken im Rahmen der Bearbeitung verschiedener komplexer Fragestellungen hervorgehoben. Weitere Modelle, wie das hier beschriebene, könnten sogar in einem Modellensemble kombiniert werden, um öko-evolutionare Grundprinzipien zu identifizieren. Abschließend wird ein Ausblick auf die Möglichkeit gewährt, das Modell weiterzunutzen und zu erweitern, um beispielsweise geomorphologische Archipeldynamiken oder dynamische Genome abzubilden, und damit die Allgemeingültigkeit des Modells noch zu erweitern.

Der Einfluss des Klimawandels auf die Biodiversität wird wahrscheinlich zunehmen. Das zeigen Modellierungen der zukünftigen Verbreitungsgebiete von klimasensitiven Arten und Biotoptypen. In der Broschüre werden die Grundlagen eines Monitoringkonzeptes zur Erfassung und Auswertung der Auswirkungen des Klimawandels auf die natürliche biologische Vielfalt in Sachsen vorgestellt. Sie umfassen u. a. die Ziele und Rechtsgrundlagen eines solchen Monitorings, diesbezügliche Aktivitäten des Bundes und ausgewählter Bundesländer sowie den Kenntnisstand zu Wirkungen des Klimawandels auf 13 Artengruppen und auf Biotoptypen. 272 klimasensitive Arten und 32 entsprechende FFH-Lebensraumtypen (LRT) wurden als besonders monitoringrelevant ausgewählt und deren Verbreitung in Sachsen untersucht. Für diese Arten und LRT, die sowohl wahrscheinliche »Gewinner« als auch »Verlierer« des Klimawandels umfassen, werden die geeigneten Monitoringmethoden beschrieben.

Die im Heft 24 der Schriftenreihe präsentierten Grundlagen werden im vorliegenden Heft 25 zu einer Konzeption vervollständigt. Teilbereiche der folgenden bestehenden Monitoringprogramme sind für eine Einbeziehung in das konzipierte Monitoring Klimawandel und Biodiversität besonders geeignet: FFH-, SPA-, Tagfalter-, Brutvogel- und Wasserrahmenrichtlinien-Monitoring sowie Forstliches Umweltmonitoring. Es werden acht Module vorgestellt, welche bestehende Monitoringprogramme für ein umfassendes Klimawandel-Biodiversitätsmonitoring ergänzen bzw. bisher nicht untersuchte Aspekte abdecken können. Für die Auswertung der Daten wurden zwei komplexe Kernindikatoren entwickelt und anhand realer Datensets getestet, der Community Temperature Index (CTI) und der Areal Index (AI). Beide zeigen für die Artengruppen der Tagfalter und Libellen innerhalb Sachsens einen Anstieg, der unterstreicht, dass die Erhöhung der Jahresmitteltemperaturen in den letzten Jahrzehnten bereits zu Veränderungen in diesen Artengemeinschaften geführt hat.

Die Vielfalt des Lebens stellt vielleicht den größten Schatz des Planten Erde dar und ist Lebensgrundlage der Menschheit. Der beispiellose weltweite Rückgang von Biodiversität ist daher eines der drängendsten Probleme unserer Zeit. In Europa sind der großflächige Verlust nährstoffarmer artenreicher Grasland- und Moorökosysteme im Zuge der Industrialisierung der Landwirtschaft und in zunehmendem Maße der Klimawandel Haupttreiber des dramatischen Rückgangs von Biodiversität. Die schnellen und umgreifenden Prozesse des globalen Wandels erfordern eine zügige Verbesserung des wissenschaftlichen Kenntnisstandes zu den interagierenden Auswirkungen von Landnutzungs- und Klimawandel um die dringend erforderlichen Maßnahmen zum Schutz der Biodiversität gewachsener Kulturlandschaften möglichst effektiv gestalten zu können. Im vorliegenden Promotionsvorhaben werden Zusammenhänge zwischen Biodiversitätsmustern auf der einen sowie Landnutzung und Klima auf der anderen Seite in einem nationalen Biodiversitätshotspot untersucht. Das Untersuchungsgebiet, der Südschwarzwald, ist ein typisches Mittelgebirge welches sich durch einen hohen Anteil artenreichen Magergrünlands sowie durch ein bedeutsames Netz von verschieden ausgeprägten Mooren auszeichnet. Von herausragender Bedeutung für das Vorkommen einer Vielzahl gefährdeter Arten sind die dort reliktisch erhaltenen Allmendweidesysteme. Die Arbeit verfolgt einen breiten biozönotischen Ansatz, der die Erfassung von drei taxonomischen Gruppen (Vögel, Tagfalter und Heuschrecken) umfasst. Alle drei Gruppen gelten als exzellente Bioindikatoren. Montane Ökosysteme zeichnen sich durch eine außergewöhnliche Artenvielfalt und das Vorkommen kälteliebenden Arten aus und spielen in Bezug auf den Erhalt der biologischen Vielfalt eine herausragende Rolle. Allerdings sind montane Regionen gegenwärtig in besonderem Maße von Nutzungsintensivierung sowie den Folgen fortschreitender Sukzession nach Nutzungsaufgabe betroffen und erfahren im Zuge des Klimawandels eine überproportionale Erwärmung. In diesem Promotionsvorhaben werden vor diesem Hintergrund Änderungen in der Verbreitung von Heuschrecken sowie einer montanen Vogelart, der Ringdrossel, über einen Zeitraum von drei beziehungsweise zwei Jahrzehnten anhand historischer Referenzdaten beleuchtet und zur Habitatqualität sowie zu Klimadaten in Bezug gesetzt. Weiterhin wird das Vorkommen von Heuschrecken und gefährdeten Tagfaltern in Zusammenhang mit der Landnutzungsintensität über einen weiten Feuchtegradienten analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass sich der Klimawandel bereits negativ auf das Vorkommen montan verbreiteter Arten auswirkt. Der Verlust von Schlüsselressourcen, zum Beispiel bis weit in den Frühsommer ausapernde Schneefelder, spielt hierbei eine entscheidende Rolle. Große Extensivweiden waren kaum von Biodiversitätsverlusten betroffen. Dies wird mit der Strukturvielfalt dieser Weiden begründet, welche einerseits die Koexistenz von spezialisierten Arten mit unterschiedlichen Habitatansprüchen ermöglicht und andererseits ein breites mikroklimatisches Spektrum bedingt, welches lokale Anpassungen an veränderte Klimabedingungen ermöglicht. Die Untersuchungen konnten außerdem belegen, dass die Landnutzungsintensität die strukturelle Ausstattung von Habitaten und damit das Vorkommen von Arten über einen weiten hydrologischen Gradienten entscheidend beeinflusst. Sowohl ausbleibende als auch intensive Nutzung führen zu strukturell vereinheitlichten, artenarmen Habitaten. Eine kontinuierliche, extensive Nutzung hingegen fördert heterogene Habitatstrukturen mit vormals charakteristischen Landschaftselementen (z.B. kurzrasige und lückige Vegetationsstrukturen mit hohen Offenbodenanteilen) und die damit assoziierten, artenreichen und anspruchsvollen Artengemeinschaften. In gewachsenen Kulturlandschaften, wie sie den überwiegenden Teil Europas einnehmen, sollten Maßnahmen zum Erhalt von Biodiversität in Grasland- und Moorökosystemen folglich extensive Nutzungsformen fördern. Eine konsequente, großflächige Umsetzung dieser Strategie könnte den Rückgang von heterogenen Habitatstrukturen und der daran gebundenen Arten aufhalten und umkehren. Hierbei kommt großflächigen Standweiden mit selbstorganisierten Rinderherden, idealerweise unter Nutzung lokaltypischer, robuster Rinderrassen, eine besondere Bedeutung zu. Nachgeordnet ist auch eine ein- oder zweischürige Mahd in räumlich-zeitlichen Mosaikmustern und mit rotierenden Altgrasstreifen zu empfehlen. In Anpassung an den Klimawandel sollten sich Maßnahmen in montanen Regionen vermehrt auf mikroklimatisch kühlere Bereiche konzentrieren.

Utafiti ambao ni msingi wa habari hizo umefanywa katika miezi za Oktoba mpaka Disemba 2000 katika wilaya wa Kwale na Kilifi huko nchi ya Kenya. Wanachama wa timu ya utafiti wetu walikuwa Prof. F. Rottland, ambaye aliweka taratibu msamiati wa miti uliokusanywa, na Bw. Mohamed Pakia ambaye ni mwanabiolojia na aliyehojiana wanafunzi wa shule ya sekondari kuhusu ujuzi wa miti na mitishamba wao. Bw. Pakia ameshafanya kazi katika Coastal Forest Conservation Unit, yaani watu ambao husaidia wazee wa kimijikenda katika kuhifadhi misitu mitakatifu inayoitwa \"makaya\" na inatumiwa kwa matambiko na kama makaburi. Bw. Pakia ametambua: Ni hatari ya kupoteza ujuzi wa miti na mitishamba iliyotumiwa nanma ya kimila miongoni mwa wanafunzi wa shule ya sekondari: vijana hawajui matumizi ya mimea na pia wamepotea moyo wa kutaka kujua mambo hayo. Katika habari zifuatazo ninatoa mifano ya ule ujuzi wa watu wazima na wazee.

1. Microbial ecology According to Caumette et al. (2015) the term ecology is derived from the Greek words “oikos” (the house and its operation) and “logos” (the word, knowledge or discourse) and can, therefore, be defined as the scientific field engaged in the “knowledge of the laws governing the house”. This, in extension, results in the simple conclusion that microbial ecology represents the study of the relationship between microorganisms, their co-occurring biota and the prevailing environmental conditions (Caumette et al. 2015). The term microbial ecology has been in use since the early 1960s (Caumette et al. 2015) and microbial ecologists have made astonishing discoveries since. Microbial life at extremes such as in the hydrothermal vents (see Dubilier et al. 2008 and references therein) or the abundance of picophytoplankton (Waterbury et al. 1979; Chisholm et al. 1988) in the deep and surface waters of the oceans, respectively, are only a few of many highlights. Nevertheless, a microbial ecologist who, after leaving the field early in their career, now intends to return would hardly recognise again their former scientific field. The main reason for this hypothesis is to be found in the advances made to the methodologies employed in the field. Most of these were developed for biomedical research and were subsequently hijacked, sometimes followed by minor modifications, by microbial ecologists. The Author presents in this thesis scientific findings which, although spanning only a fraction of the era of research into microbial ecology, have been obtained using various modern tools of the trade. These studies were undertaken by the Author during his employment as postdoctoral scientist at Warwick University (UK), as member of staff at Plymouth Marine Laboratory (UK) and as scientist at the TU Bergakademie Freiberg. Although the scientific issues and the environmental habitats investigated by the Author changed due to funding constraints or due to change of work place (i.e. from the marine to the mining environment) the research shared, by and large, a common aim: to further the existing understanding of microbial communities. The methodological approach chosen to achieve this aim employed both isolation followed by the characterisation of microorganisms and culture independent techniques. Both of these strategies utilised again a variety of methods, but techniques in molecular biology represent a common theme. In particular, the polymerase chain reaction (PCR) formed the work horse for much of the research since it has been routinely used for the amplification of a marker gene for strain identification or analysis of the microbial diversity. To achieve this, the amplicons were either directly sequenced by the Sanger approach or analysed via the application of genetic fingerprint techniques or through Sanger sequencing of individual amplicons cloned into a heterologous host. However, the Author did not remain at idle while with these ‘classical’ approaches for the analysis of microbial communities, but utilised the advances made in the development of nucleotide sequence analysis. In particular, the highly parallelised sequencing techniques (e.g. 454 pyrosequencing, Illumina sequencing) offered the chance to obtain both high genetic resolution of the microbial diversity present in a sample and identification of many individuals through sequence comparison with appropriate sequence repositories. Moreover, these next generation sequencing (NGS) techniques also provided a cost-effective opportunity to extent the characterisation of microbial strains to non-clonal cultures and to even complex microbial assemblages (metagenomics). The work involving the high throughput sequencing techniques has been undertaken in collaboration with Dr Jack Gilbert (PML, lateron at Argonne National Laboratory, USA) and, since at Freiberg, with Dr Anja Poehlein (Goettingen University). These colleagues are thanked for their support with sequence data handling and analyses.

Utafiti ambao ni msingi wa habari hizo umefanywa katika miezi za Oktoba mpaka Disemba 2000 katika wilaya wa Kwale na Kilifi huko nchi ya Kenya. Wanachama wa timu ya utafiti wetu walikuwa Prof. F. Rottland, ambaye aliweka taratibu msamiati wa miti uliokusanywa, na Bw. Mohamed Pakia ambaye ni mwanabiolojia na aliyehojiana wanafunzi wa shule ya sekondari kuhusu ujuzi wa miti na mitishamba wao. Bw. Pakia ameshafanya kazi katika Coastal Forest Conservation Unit, yaani watu ambao husaidia wazee wa kimijikenda katika kuhifadhi misitu mitakatifu inayoitwa \"makaya\" na inatumiwa kwa matambiko na kama makaburi. Bw. Pakia ametambua: Ni hatari ya kupoteza ujuzi wa miti na mitishamba iliyotumiwa nanma ya kimila miongoni mwa wanafunzi wa shule ya sekondari: vijana hawajui matumizi ya mimea na pia wamepotea moyo wa kutaka kujua mambo hayo. Katika habari zifuatazo ninatoa mifano ya ule ujuzi wa watu wazima na wazee.

Die Verfassung muss auf die Grundfragen menschlichen Überlebens eingehen und den Schutz des Klimas und der Biodiversität als Staatsziele in unserer Verfassung verankern. Die Landtagsfraktion BÜNDNIS 90/DIE GRÜNEN fordert darüber hinaus, Ziele des Erhalts der Regenerationsfähigkeit von Naturgütern sowie den Ressourcenschutz in die Verfassung aufzunehmen.

Der Einfluss des Klimawandels auf die Biodiversität wird wahrscheinlich zunehmen. Das zeigen Modellierungen der zukünftigen Verbreitungsgebiete von klimasensitiven Arten und Biotoptypen. In der Broschüre werden die Grundlagen eines Monitoringkonzeptes zur Erfassung und Auswertung der Auswirkungen des Klimawandels auf die natürliche biologische Vielfalt in Sachsen vorgestellt. Sie umfassen u. a. die Ziele und Rechtsgrundlagen eines solchen Monitorings, diesbezügliche Aktivitäten des Bundes und ausgewählter Bundesländer sowie den Kenntnisstand zu Wirkungen des Klimawandels auf 13 Artengruppen und auf Biotoptypen. 272 klimasensitive Arten und 32 entsprechende FFH-Lebensraumtypen (LRT) wurden als besonders monitoringrelevant ausgewählt und deren Verbreitung in Sachsen untersucht. Für diese Arten und LRT, die sowohl wahrscheinliche »Gewinner« als auch »Verlierer« des Klimawandels umfassen, werden die geeigneten Monitoringmethoden beschrieben.

Die im Heft 24 der Schriftenreihe präsentierten Grundlagen werden im vorliegenden Heft 25 zu einer Konzeption vervollständigt. Teilbereiche der folgenden bestehenden Monitoringprogramme sind für eine Einbeziehung in das konzipierte Monitoring Klimawandel und Biodiversität besonders geeignet: FFH-, SPA-, Tagfalter-, Brutvogel- und Wasserrahmenrichtlinien-Monitoring sowie Forstliches Umweltmonitoring. Es werden acht Module vorgestellt, welche bestehende Monitoringprogramme für ein umfassendes Klimawandel-Biodiversitätsmonitoring ergänzen bzw. bisher nicht untersuchte Aspekte abdecken können. Für die Auswertung der Daten wurden zwei komplexe Kernindikatoren entwickelt und anhand realer Datensets getestet, der Community Temperature Index (CTI) und der Areal Index (AI). Beide zeigen für die Artengruppen der Tagfalter und Libellen innerhalb Sachsens einen Anstieg, der unterstreicht, dass die Erhöhung der Jahresmitteltemperaturen in den letzten Jahrzehnten bereits zu Veränderungen in diesen Artengemeinschaften geführt hat.