Während des Anthropozäns führten zunehmende, durch Menschen verursachte
Umweltveränderungen zu rasanten Übergängen von naturnahen zu neuartigen Ökosystemen.
Arten die in Ökosystemen während dieser Übergänge überdauern, könnten Veränderungen
ihrer Merkmale aufweisen, die sie befähigen, sich an die neuen Bedingungen anzupassen.
Andere Arten hingegen verschwinden aus neuartigen Ökosystemen da sie sich nicht an die
rasant entstehenden neuen Umweltbedingungen anpassen können.
In meiner Dissertation versuche ich anhand ausgewählter Insekten-Arten zu verstehen,
welche Merkmale es Arten ermöglichen in Zeiten rasanter, von Menschen verursachter
Umweltveränderungen zu überdauern. Hierzu untersuche ich, stellvertretend für die Fähigkeit
der Adaption, morphologische und biochemische Merkmale von Arten aus der Region
Berlin/Brandenburg in Deutschland. Diese Region ist durch zunehmende Urbanisierung und
Landnutzung für den Ackerbau innerhalb der letzten 150 Jahre gekennzeichnet. Für
rückblickende Analysen entlang eines raumzeitlichen Gradienten untersuchte ich
Sammlungsexemplare aus Naturkundemuseen die durch neu gesammelte Exemplare
erweitert wurden.
In Paper 1 untersuche ich in der Nachtfalterart Agrotis exclamationis Veränderungen von
Merkmalen, die ein Verhalten begünstigen vom Licht angezogen zu werden, als Antwort auf
die Zunahme künstlicher Lichtquellen in der Nacht in einer Region über die letzten 137 Jahre.
Für diese Analysen verwende ich zurückwirkende Radianz-Werte basierend auf
Satellitendaten der Jahre 2012 bis 2019. Entlang des räumlichen Gradienten konnte ich keine
Merkmalsveränderungen nachweisen. Allerdings konnte ich Veränderungen der
Körpergrößen und in Weibchen Veränderungen der Augengrößen über die Zeit nachweisen.
Beide Veränderungen sind jedoch nicht direkt auf zunehmendes künstliches Licht in der Nacht
zurückzuführen. Ich diskutiere den indirekten Einfluss künstlichen Lichts in der Nacht auf die
nachgewiesenen Merkmalsveränderungen als Verstärkung der Habitat Fragmentierung sowie
einer Beeinflussung der Sicht von Weibchen auf deren Wirtspflanzen. Allerdings konnte ich
zeigen, dass in Weibchen ein Trend zwischen kleineren Augen und zunehmenden künstlichem
Licht in der Nacht über die Zeit zu erkennen ist. Dies könnte auf einen ersten Hinweis
hindeuten, dass morphologische Merkmalsveränderugen als Antwort auf zunehmendes
künstliches Licht in der Nacht bereits stattfinden.
In Paper 2 untersuche ich ob zunehmende Urbanisierung und Landnutzung für den Ackerbau
über die letzten 125 Jahre sowie zwischen beiden Landnutzungstypen einen Einfluss auf die
Körpergrößen und Biochemie zweier Laufkäferarten, Harpalus affinis und Harpalus rufipes,
hat. Ich konnte keine raumzeitlichen Veränderung der Körpergrößen in Weibchen beider
Arten nachweisen, allerdings eine Abnahme der Körpergröße in männlichen H. rufipes in der
Stadt über die Zeit, wohingegen deren Körpergrößen im ländlichen Raum über die gleiche Zeit
konstant blieben. Ich diskutiere diese Ergebnisse als ein Resultat verschiedener
Aktivitätstypen beider Arten. Die bioschemischen Untersuchungen zeigen, dass der
intensivierte Einsatz von Düngemitteln einen Einfluss auf die Biochemie derer Käfer hat, die in
Ackerlandschaften vorkommen. Dies zeigt sich in meist höheren Anreicherungen stabiler
Stickstoff-Isotopen in deren Geweben im Vergleich zu Käfern die im urbanen Raum leben.
Allerdings konnte ich zeigen, dass einige urbane Habitate einen ähnlich hohen Stickstoffgehalt
wie Ackerlandschaften aufzuweisen scheinen, was sich in den Geweben der dort lebenden
Käfer wiederspiegelt und auf eine hohe Heterogenität urbaner Habitate hinweist.
In meiner 3. Publikation untersuche ich die Auswirkungen der durch Menschen verursachte
Umweltveränderungen auf Farbmorph-Häufigkeiten der Laufkäferart Harpalus affinis
zwischen urbanen und ländlichen Regionen über die letzten 125 Jahre. Ich konnte einen
Sexualdichromatismus nachweisen sowie generell konstant bleibende Farbmorphen entlang
der raum-zeitlichen Gradienten in Männchen und Weibchen, außer in den Weibchen die im
urbanen Raum über die Zeit untersucht wurden. Hierbei war in Zeiten mit hoher städtischer
Luftverschmutzung durch Ruß die bronze Farbmorphe der Weibchen in höhere Abundanz
vertreten, wohingegen die grüne Farbmorphe mit abnehmender Luftverschmutzung im Laufe
der Zeit an Häufigkeit zunahmen. Ich interpretiere diese Ergebnisse als ein Resultat der
natürlichen Selektion der jeweils am wenigsten für Prädatoren auffälligen Farbmorphe in der
entsprechenden Zeit. Das Fehlen einer Änderung der Farbmorph-Häufigkeit bei den
Männchen interpretiere ich hingegen als Ergebnis der sexuellen Selektion.
In meinen Untersuchungen konnte ich zeigen, dass rasante, von Menschen verursachte
Umweltveränderungen morphologische und bioschemische Merkmalsveränderungen in
Arten, die in veränderten Lebensräumen überdauern, verursachen können. Allerdings sind
diese Merkmalsveränderungen abhängig von der jeweiligen Art, deren Aktivitätstyp und
Geschlecht. Zusätzlich konnte ich zeigen, dass manche Merkmalsveränderungen derzeit nicht
klar nachweisbar sind aufgrund der relativ kurzen Zeit in der durch Menschen verursachte
Umweltveränderungen stattfinden. / During the Anthropocene increasing human induced environmental changes have led to rapid
transitions from natural to novel ecosystems. Species that persist during this transition
process may respond to these new conditions by altering their traits. This may enable some
species to persist where others disappear due to their lack of adaptability to these new
conditions.
In this thesis, I aim to understand what enable selected insect species to persist during human
induced rapid environmental changes. I use morphology and biochemistry as a proxy for
species’ adaptations in the German Berlin-Brandenburg area, an area that is characterized by
increasing urbanisation and agricultural land-use over the past 150 years. For retrospective
analyses over a spatio-temporal gradient, I examined voucher specimens from natural history
museums combined with newly collected specimens.
In paper 1, I examine changes in flight-to-light dependent traits in the moth species Agrotis
exclamationis in response to increasing artificial night light in the same region over the past
137 years. For these analyses I use retrospective radiance values based on satellite data from
the years 2012 to 2019. Along the spatial gradient I could not find any trait changes. However,
I verified changes in body size and females’ eye-size over time, although this was not directly
related to artificial night light. I suggest that artificial night light influences trait changes
indirectly by reinforcing habitat fragmentation and influencing females’ sighting of hostplants.
However, I could show a trend between smaller eyed females and increasing artificial
night light over time. This provides, the first evidence that morphological trait changes in
response to increasing artificial night light might already taking place.
In the second paper I investigate if increasing urbanisation and land-use for agriculture across
space and time (the past 125 years) have an influence on body size and biochemistry in two
ground beetle species, Harpalus affinis and Harpalus rufipes. I found no spatio-temporal
changes in both species’ female body size but identified a decrease in male H. rufipes’ body
size in the city, whereas their sizes stayed constant in rural areas over time. I discuss different
activity pattern of both species as the reason for these findings. The biochemical examinations
show that intense application of fertilizer influences the biochemistry of specimens living in
agricultural habitats. This, results in stable nitrogen isotope signatures in their tissues that are
mostly higher than those living in urban habitats. However, I show that some urban habitats
might be equally enriched with nitrogen (as reflected in the specimens’ tissues), indicating the
heterogeneity of urban habitats.
In paper 3, I investigate the effects of human induced environmental changes on the
frequency of colour change in the ground beetle species Harpalus affinis between urban and
rural habitats over the past 125 years. I found sexual dichromatism, and similar colour morphs
between males and females over time, with the exception of females examined from urban
regions. In this case, bronze colour morphs in females were more abundant in times with high
levels of soot pollution in the city, whereas green colour morphs became more dominant with
decreasing levels of soot pollution over time. I interpret this finding to be driven by natural
selection of the less cryptic colour morph during the respective time period, whereas the lack
of any change in colour morph frequencies in males is likely the result of sexual selection.
These studies show that rapid human induced environmental changes are triggering
morphological and biochemical trait changes in species that persist in altered habitats across
space and time. However, these trait changes are dependent on the species, their activity
pattern and sexes. Additionally, I show that some trait changes are not clearly verifiable at
present due to the relatively short timeframe in which human induced environmental changes
are taking place.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:HUMBOLT/oai:edoc.hu-berlin.de:18452/24514 |
| Date | 03 January 2022 |
| Creators | Keinath, Silvia |
| Contributors | Rödel, Mark-Oliver, Nyakatura, John, Rolff, Jens, Menzel, Ralph |
| Publisher | Humboldt-Universität zu Berlin |
| Source Sets | Humboldt University of Berlin |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralThesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/ |
| Relation | 10.1016/j.baae.2021.05.004, 10.3389/fevo.2019.00525 |
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