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Understanding biological responses to climate change is a primary concern in conservation biology. Of the ecosystems being rapidly impacted by climate change, those in the high-elevation tropics are among the most poorly studied. The tropical Andean biosphere includes record elevations above 5000 meters, where extreme environmental conditions challenge many organisms. In the Cordillera Vilcanota of southern Peru, frogs including Pleurodema marmoratum and Telmatobius marmoratus have expanded their ranges to 5244 – 5400 m into habitats created by glacial recession, making them among the highest recorded amphibians on Earth. To understand how hydrologic alterations from loss of glacial meltwater and climatic fluctuations affect these amphibians, I conduct a 36-month field study of reproductive phenology and develop a method to distinguish glacial meltwater-fed ponds and precipitation-fed ponds utilizing natural variation in stable isotopes of water (18O, 2H, and d-excess). My results suggest that some ponds critical for breeding populations may have lost their connection to glacial runoff. Ongoing deglaciation may transform these ponds from permanent to ephemeral habitats, leading to the extirpation of the fully aquatic species, T. marmoratus. The 2015/2016 El Niño delayed the onset of the 2015 wet season and shortened the P. marmoratum breeding and tadpole development period in ephemeral ponds. I examine regional patterns of amphibian occupancy and prevalence of the deadly amphibian pathogen Batrachochytrium dendrobaditis in unexplored high-elevation zones that were until recent decades covered by permanent ice. Next, I examine adaptive strategies that allow these two frog species to persist in the harsh high-elevation environment. Pleurodema marmoratum withstands the daily freeze-thaw cycle by utilizing a wide thermal tolerance range (from below 0ºC to CTmax > 32ºC) and I report the first evidence of frost tolerance in a tropical frog. My research compares divergent strategies allowing two anuran species to persist through disease and variable, extreme conditions in high-mountain environments, providing a better understanding of responses to and consequences of climate change for some of the world's highest life forms.

O bioma Mata Atlântica é mundialmente reconhecido como uma das regiões de maior diversidade biológica do planeta, abrigando elevada riqueza de espécies e um elevado número de espécies endêmicas, se estendendo por cerca de 1.300.000 km2 ao longo da costa brasileira, entre as latitudes 3º e 33º S e longitudes 35º e 57º L. Como resultado do incremento das atividades humanas de uso da terra e, consequentemente, de ampla modificação da paisagem ao longo dos séculos, cerca de apenas 10-15% do bioma Mata Atlântica ainda se encontra em estado natural ou próximo ao natural, sendo considerados áreas prioritárias para conservação. Devido à grande variedade climática e geomorfológica, o bioma Mata Atlântica é um complexo mosaico de diferentes ecossistemas. Dentre estes, a floresta com Araucária (Floresta Ombrófila Mista), a floresta nebular (Floresta Ombrófila Densa Altomontana) e os campos de altitude ocupam as médias e altas altitudes da Serra do Mar, que se estende por cerca de 1000 km paralela à costa, do sul ao sudeste brasileiro. A distribuição da floresta com Araucária está relacionada ao clima úmido e relativamente frio, entre 400 e 1400 m s.n.m. no sul do Brasil e em fragmentos menores entre as altitudes de 1400 a 1800 m s.n.m. no Sudeste. Atualmente, está reduzida a não mais do que 7% da sua distribuição original. A floresta nebular se estende nas encostas do alto da Serra do mar, normalmente acima de 1100 m s.n.m. no Sul e acima de 1500 m s.n.m. no sudeste do Brasil, nos pequenos vales e sítios protegidos. Os campos de altitude são uma vegetação tipicamente herbácea, restrita aos cumes e picos da serra e aos platôs mais elevados. Estudos paleoecológicos demonstraram que, apesar deste mosaico de ecossistemas ter persistido durante o Holoceno, a perpetuação dos campos de altitude é muito frágil. Como a vegetação campestre se expande em condições climáticas mais frias e secas e parece ser adaptada ao fogo, sugere-se que a presente área de campos de altitude é maior do que esperada sobre as condições climáticas atuais, especialmente em locais mais quentes em altitudes mais baixas. Além disso, estudos de mudanças climáticas preveem um clima mais quente e úmido durante o século 21, que provavelmente irá intensificar a migração da floresta atlântica para maiores altitudes, em detrimento da vegetação campestre. Nesta pesquisa, as relações passadas e presentes do mosaico de campos de altitude e florestas altomontanas (floresta com Araucária e floresta Atlântica nebular) são exploradas por meio de análises palinológicas. Inicialmente, foi investigada a correlação atual entre cobertura vegetal e produção de pólen. Observou-se que os taxa arbóreos são superestimados no conjunto de pólen de campos de altitude, constituindo uma área muito maior de captação de pólen do que no conjunto de pólen arbóreos. Sendo assim, o conjunto de pólen que caracteriza a vegetação de campos de altitude apresenta uma grande proporção de taxa de vegetação arbórea. Posteriormente, um sedimento de quase 10.000 anos foi analisado, demonstrando que, apesar dos taxa representantes da floresta altomontana estarem presentes na região de estudo durante todo o Holoceno, a vegetação florestal expandiu majoritariamente durante o Holoceno Tardio. Até cerca de 1350 cal a AP, a vegetação de campos de altitude ocupava áreas mais extensas. Em geral, os resultados demonstraram que o aumento de temperatura e precipitação ao longo do Holoceno favoreceram a migração da floresta para altitudes mais elevadas. Além disso, a pesquisa indicou que o fogo já estava presente na região antes da chegada dos primeiros humanos no Sudeste do Brasil, implicando na adaptação da vegetação campestre ao fogo. Por último analisou-se a dinâmica da vegetação nos últimos sete séculos. Os resultados indicaram que interferências antropogênicas como fogo, pastoreio e exploração madeireira desempenharam um importante papel na relação campos-floresta na Serra do Mar do Sudeste do Brasil. Com base nestes estudos, sugere-se que a manutenção do mosaico de campos de altitude e floresta no clima presente e futuro depende tanto de um manejo ativo quanto da mudança de foco da conservação de ambientes florestais para ambientes campestres.

Zur Rekonstruktion der jungquartären Landschaftsentwicklung am Kilimanjaro werden Sedimente aus Paläoböden am Mt Kilimanjaro untersucht, um die lokale und regionale Ökosystem-, Klima-, Feuerdynamik in einem größeren Rahmen zu verstehen. Desweiteren soll die Reaktion der Ökosysteme auf Umweltveränderungen erforscht werden, um die Beziehungen verschiedener Ökosysteme und ihre Rolle hinsichtlich der Entwicklung von „Biodiversity Hot Spots“ in Ostafrika aufzudecken. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der heutigen und zukünftigen Dynamik von Ökosystemen bei. Sie sind außerdem eine wichtige Grundlage im Naturschutz, da sie bedeutende Informationen für die Aufrechterhaltung und das Management der hohen Biodiversität in den ostafrikanischen Hochländern liefern. Die Durchführung von paläoökologischen Untersuchungen ist unerlässlich, da die Prozesse der Vergangenheit eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Ökosysteme und Biodiversität spielen. Die vorliegende Arbeit erforscht die spätquartäre Vegetation-, Klima- und Feuerdynamik am Kilimanjaro, um das Verständnis der dortigen Ökosystem zu vertiefen. Sowohl Pollen als auch weitere Klima-Proxies von zwei Sedimentkernen werden analysiert, um die Vegetationsdynamik vom frühen Spätglazial bis heute zu rekonstruieren und die jeweiligen Einflußfaktoren aufzudecken. Die Ergebnisse vom Maundi Krater, welcher auf 2780 m Höhe am südostlichen Hang des Kilimanjaros gelegen ist, stellen eines der längsten, terrestrischen Klimaarchive im tropischen Ostafrika dar, und ermöglichen den Einblick in fast 100 000 Jahre Vegetations- und Klimageschichte. Das WeruWeru Paläobodenprofil aus dem montanen Waldgürtel am Kilimanjaro ermöglicht die detaillierte Rekonstruktion der Reaktionsdynamik der Vegetation auf Veränderungen in der Umwelt. Die Ergebnisse beider Untersuchungen zeigen, dass Klimaveränderungen zu einer Verschiebung der montanen Vegetationsgürtel entlang des Höhengradienten des Mt Kilimanjaro geführt haben. Das Pollenarchiv des WeruWeru Profils dokumentiert starke Veränderungen in den höchsten Vegetationgürteln, dem Erikagürtel und dem oberen montanen Wald. Trotz markanter Klimaveränderungen scheint Mt Kilimanjaro aber auch als eiszeitliches Refugium für Waldarten gedient zu haben. Feuerereignissen spielten hinsichtlich der Ausbildung des Erikagürtels eine entscheidende Rolle. Hinweise auf verstärkte menschliche Aktivitäten können an keinem der beiden Untersuchungsstandorte festgestellt werden. Die Pollenregen-Studie entlang des Höhengradienten am Kilimanjaro zeigt, dass es sehr entscheidend ist, die quantitative Beziehung zwischen Pollen-Niederschlag und moderner Vegetation zu untersuchen, um die Rekonstruktionen der Vergangenheit zu kalibrieren. Die Ergebnisse ermöglichen eine weitaus präzisere Interpretation der Vegetations- und Klimarekonstruktionen im tropischen Ostafrika.