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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:20730 |
| Date | January 2020 |
| Creators | Leidinger, Ludwig Klaus Theodor |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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