EVOLUTION IN A CHANGING CLIMATE (EVOCLIM)

En realistisk forståelse av hvordan klimaendringer vil påvirke det biologiske mangfoldet krever at man inkluderer mange økologiske prosesser som påvirker egenskapene til bestander og hvordan disse varierer over tid for å gi et riktig bilde av hvordan et endret miljø vil påvirke utviklingen av nye tilpasninger. Dessverre mangler vi modeller av dette som er basert på økologiske riktige antagelser. Dette gjør at vi i bare liten grad er i stand til å beregne hvor raskt arter kan tilpasse seg et endret klima. En viktig bidrag fra dette prosjektet er at man har lyktes i å utvikle modeller for evolusjon av karakterer som er påvirket både av svingninger i miljøet som f.eks. kan skyldes klimaendringer og effekten av variasjoner i bestandstetthet. Et viktig generelt resultat av disse teoretiske analysene er at variasjoner i gjennomsnittsegenskapene til individene som til enhver tid befinner seg i bestanden også påvirker styrken på seleksjonen og dermed hvor raskt den evolusjonære responsen til endringer i miljøet vil foregå. Dette er en ny mekanisme som bestemmer hvor raskt nye adaptasjoner kan utvikle seg og i hvor stor grad vil være i stand til å overleve i et endret miljø. Disse modellene har dannet grunnlaget for analyser av hvordan evnen til å utvikle nye tilpasninger varierer langs økologiske gradienter. Slike analyser krever tilgang til lange tidsserier av data fra mange lokaliteter. Hos europeiske hulerugende fugler eksisterer det mange denne type datasett av ypperlig kvalitet som for en stor del er samlet inn av amatører som tidligere ikke har vært utnyttet i en vitenskapelig sammenheng. For å klargjøre, kvalitetssikre og systematisere disse dataene har man i samarbeid med Netherlands Institute for Ecology (NIOO) i Wagenigen, Nederland etablert et formelt nettverk kalt Studies of Populations of Individual Birds (SPI Birds) (https://nioo.knaw.nl/en/spi-birds). Hovedformålet er å bygge opp en meta-database hvor dataene fra individbaserte langtidsstudier av fuglebestander foreligger i en oversiktlig form. Dette vil gjøre dette unike datamaterialet langt mer tilgjengelig også for andre forskere. Et viktig bidrag fra dette prosjekt basert på SPI Birds er at vi nå har undersøkt hvordan klimasvingninger påvirker samvariasjonen i fitness-relaterte trekk. Ved å benytte data fra bestander av kjøtt- og blåmeis fra helt sør i Middelhavet opp til polarsirkelen har vi vist at den årlige variasjonen i flere av diss karakterene samvarierer over store geografiske områder. Det innebærer at seleksjonen vil være sterkt korrelert i rommet og vil derfor kunne indusere synkrone fitness-variasjoner over store områder. Dette er lite kjent effekt av de forventede endringene i klima fordi det kan påvirke hvor raskt lokale tilpasninger til et endret miljø kan utvikle seg. Slike effekter kan også gjøre små bestander langt mer utsatte i et endret klima enn tidligere antatt. For å undersøke hvor raskt tilpasninger til et endret miljø kan utvikle seg brukte vi vårt nye modellapparat til å beregne i hvor stor grad en bestand av finsk tamrein kan utvikle nye tilpasninger til en stadig varmere vår. Dette er et svært godt system å modellere for denne bestanden ble holdt på et slikt lavt bestandsnivå gjennom uttak av individer at kompliserende tetthetsavhengige effekter ikke trenger å inkluderes i modellene. Analysene viste sterk seleksjon for både tidligere kalving og tyngre kalving. Denne seleksjonen var assosiert med en genetisk endring mot tidligere kalving, men denne var ikke sterk nok til å motvirke de negative fitness-konsekvensene av en tidligere vår. En av de store utfordringene knyttet til å forstå effekten av forventede klimaendringer på økologiske prosesser er å inkludere betydningen av interaksjoner mellom arter. Et viktig bidrag fra dette prosjektet har vært utviklingen av en modell som beskriver mellom-arts interaksjoner i et variabelt miljø. Denne modellen ble så parameterisert ved å benytte svært lange tidsserier hentet fra en database av bestands-svinginger til hulerugende fuglearter samlet inn over store deler av Europa. Disse analysene viser at kjøttmeis-individer kan ha nesten like stor betydning for bestandsveksten til blåmeis som individer av samme art. Våre analyser viser også bestandssvingningene til konkurrenten også kan påvirke styrken på seleksjonen hos blåmeisen. Dette viser betydningen av å inkludere interspesifikk konkurranse når effekten av klimaendringer på øko-evolusjonære prosesser skal analyseres.

Et sentralt spørsmål i den evolusjonære økologien med stor praktisk betydning er hvor raskt arter kan tilpasse seg endrete miljøbetingelser f.eks. forårsaket av endringer i klima. Ett generelt hovedproblem som har kommet fram gjennom slike analyser er imidlertid at den evolusjonære responsen til endringer i miljøet selv i karakterer med høy arvbarhet er langt mindre enn forventet. Vårt prosjekt har vist at en viktig årsak til dette er at styrken på seleksjonen i tradisjonelle modeller blir feilestimert fordi realistiske økologiske antagelser ikke er bygd inn. Dette prosjekt har gitt en oppskrift for hvordan dette kan gjøres.

Recent evidence now suggests that adaptive changes to variation in the environment may occur rapidly, even on a contemporary time scale, and thus evolutionary processes need to be integrated into any analyses of the long-term persistence of populations facing altered environmental conditions. This has provided the empirical foundation for establishing a new research field in conservation biology, evolutionary rescue analyses, where the key question is whether populations can resist changes in the environment by rapidly evolving new evolutionary adaptations to prevent population declines, ultimately avoiding extinction. This project represents the first attempt to operationalize evolutionary rescue analyses to predict the potential impact of climate changes on the long-term persistence of wild vertebrate populations. The practical management implications go far beyond small passerine birds, which provides the model system in this project, because the outputs from this project will provide a methodological tool-kit for estimation of key quantitative genetics parameters from types of data that are routinely collected for many species that today are subject to strong management regimes in Norway (e.g. large carnivores and herbivores). In this project we will examine two major hypotheses: 1. Temporal fluctuations in the strength of phenotypic selection depend upon the magnitude of environmental stochasticity in the population dynamics 2. The rate of phenotypic evolution as a response to the expected changes in climate (e.g. spring warming) will depend upon the combined effects of environmental stochasticity and density-dependence.