Tag Archives: ecology

Bigger is Better

Population size impacts host-pathogen coevolution (2021) Papkou et al. 2021, Proc B, https://doi.org/10.1098/rspb.2021.2269

Image credit: Kbradnam, CC BY-SA 2.5, via Wikimedia Commons

The Crux

Host-pathogen interactions are maybe best characterized as a battle – a pathogen (a parasite that causes disease) doing what it can to maximize how much it can get from a given host organism, and a host doing what it can to defend itself from this endless attack. As a result, hosts and pathogens are locked in an endless evolutionary battle, whereby hosts evolve to better defend themselves and pathogens evolve to better attack the host. A key factor in this battle is population size, as this affects the evolutionary potential of a given population of organisms to respond to selection.

The larger a population of hosts, the more novel genetic variants there are, which are simply organisms with different genetic make-ups, which can be the result of mutations popping up or through combinations with other genetic variants within the population. The more variation there is, the more diverse the population is, and the more chance it has of carrying the genes that could help it respond to a new threat, like a pathogen.

This means that a larger host population is more likely to have a genetic variant that is able to defend itself from these pathogens. That variant will then be selected for and the host population will become more resistant to that pathogen over time. While a lot of theory has been dedicated to understanding these coevolutionary battles, actual experimental evidence is lacking. Today’s authors used a model system to conduct evolutionary experiments to test the effect of host population size on host-pathogen coevolution.

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Bad Neighbors

The disruption of a keystone interaction erodes pollination and seed dispersal networks, Vitali et al., 2021 Ecology. https://doi.org/10.1002/ecy.3547

Image credit: Ennio Nasi, CC BY 4.0

The Crux

Ecological communities are incredibly complex networks, made up of interactions between the species that reside in them. To properly understand how these interactions shape a community, researchers have to employ a variety of analytical methods and modelling approaches. This was something that I had to learn to appreciate in my work, because I always thought that studying ecology would involve a lot of time outdoors working with animals. While that does happen (and I spent months outside during my PhD), most of the ecological research I’m familiar with centers on math and statistics.

Using math and statistics to model ecological communities helps us to break down how various organisms are connected with one another. For example, keystone species are organisms that are connected to so many others within a given ecosystem such that any change to their populations will have consequences for the entire community. Understanding the processes that affect these keystone individuals (and all of the organisms linked to them) is vital to predicting how processes such as climate change and invasive species will affect natural communities in the future.

Today’s authors investigated how disruption of an important species interaction affected pollination and seed dispersal networks in Patagonia. A hummingbird species (Sephanoides sephaniodes) is the main pollinator for a mistletoe species (Tristerix corym-bosus), while the mistletoe provides the hummingbird with nectar in the winter. The colocolo opossum (Dromiciops gliroides) is a small marsupial that is vital for the mistletoe, as mistletoe seeds must pass through the opossum’s gut to trigger their germination. Additionally, the opossums defecate many seeds on branches in a “necklace” arrangement, which likely helps the mistletoe to parasitize their plant hosts. These three species are tightly connected to one another, and any reduction in abundance for one species may affect the other two, and even destroy the entire food web.

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Forecasting the Fate of an Ecosystem: The Double-Edged Sword of Predictive Modelling

Image Credit: Amy-Jo, Pixabay licence, Image Cropped

Let’s get the humblebragging out of the way – this week a paper that I wrote was published in the Journal of Applied Ecology. It was a paper that I genuinely enjoyed writing, and it gives a tangible outcome – the forecasting of the establishment of invasive species within a region. The applications are obvious. Knowing where an invasive species is likely to pop up lets us detect it early and take action quickly.

Yet that very tangibility of the outcome has resulted in it being the paper of which I most fear the consequences. So in an exorcism of my general nerves (and as a soft disclaimer), I wanted to talk about why forecasting or predicting anything can be such a complicated undertaking for an ecologist.

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The Effects of Reproduction on Coexistence

Image credit: Charles J. Sharp, CC BY-SA 4.0

When ecology fails: how reproductive interactions promote species coexistence (2021), Gómez-Llano et al., Trends in Ecology and Evolution. https://doi.org/10.1016/j.tree.2021.03.003

The Crux

Scientific literature, like many different aspects of society and culture, goes through periods where a given subject/topic is more prominent in the public conscience than others. Lately, the question of coexistence has been at the forefront of the minds of many community ecologists. Coexistence is the state in which two or more species can each maintain a population in the same habitat as each other, provided that the environmental conditions and species interactions that they experience remain stable. Many studies of coexistence have investigated how differences among coexisting species allow them to maintain their coexistence, which makes sense, as it’s hard to coexist with another species if they require the exact same food or habitat as you do.

Yet there are a lot of examples of coexisting species that seem to be almost identical. Some researchers have suggested that these networks of similar species are unstable and should break down over time. But are these groups of species truly doomed? Or are there other processes maintaining this seemingly unlikely coexistence?

Today’s authors suggest that reproductive interactions among species are what may allow such similar species to continue coexisting. While much of the work in this area is theoretical rather than empirical (see Did You Know?), the authors reviewed what empirical evidence they could. Today’s paper is a review (a paper that summarizes lots of previously published papers with the goal of synthesizing knowledge), so I will briefly touch on the main points as put forward by the authors.

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3D Printing: A Future For Studies In Ecology And Evolution

With mentions in scientific journals skyrocketing over the last few years, 3D printing is rapidly becoming a buzzword in many scientific fields. Ecology and evolution are getting in on the game too, with applications in the laboratory, field, and teaching. So as a primer to those not yet introduced to such methods, let’s cover the broad types of 3D printing and have a look at some examples where such technologies have provided novel approaches to ecological research questions, and how we may advance such techniques into the future.

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Los Colores Que Te Ayudan A Sobrevivir

Geographic mosaic of selection by avian predators on hindwing warning colour in a polymorphic aposematic moth. (2020) Rönkä et al., Ecology Letters. https://doi.org/10.1111/ele.13597

Credito de imagen: Benjamin Davidson, CC BY-NC-SA 2.0

¿Qué necesitas saber para entender el estudio?

El aposematismo en una estrategia utilizada por varios animales o plantas para advertir a sus depredadores de su toxicidad y ser menos apetecibles. Las señales de advertencia que generalmente utilizan los organismos son colores llamativos. Esta estrategia es muy común en muchos grupos, por ejemplo, algunas ranitas tienen colores muy llamativos y también muchos insectos. Este artículo se enfoca en estudiar el aposematismo en las polillas Arctia plantaginis, también conocida como “wood tiger moth”. Esta polilla se distribuye en la zona holoártica y es una de las presas favoritas de las aves. La “wood tiger moth” tiene una coloración en las alas para advertir a sus depredadores que deben de alejarse. Esta especie puede tener las alas de color blanco, rojo o amarillo (Figura.1) además, su coloración de advertencia viene acompañada de la producción de una defensa química, una sustancia que se llama pirazina, la cual es muy desagradable para las aves.

Pensemos por un momento en el caso de las polillas ¿Qué condiciones necesitan las polillas para que el aposematismo funcione como estrategia de supervivencia? La primera condición es que las aves aprendan a relacionar a las polillas, y a su color, con el hecho de que saben feo. Cada generación de aves tiene que aprender esto de forma independiente. Por lo tanto, para la población de polillas,  resulta ventajoso compartir su señal de alerta. De esta forma las aves se encontrarían muy frecuentemente con la señal y aprenderán más rápido a evitarla entonces esperaríamos que el color más común de las polillas se seleccione. En consecuencia deberíamos encontrar localidades en donde todas las polillas compartan el mismo color de alas. Sin embargo, algunos científicos han observado que este no es necesariamente el caso en la naturaleza. En el hemisferio norte se ha visto que hay mucha variación en el color de las alas dentro de una misma población (Figura.1). Este fenómeno aún necesita una explicación.

¿Cúal es la pregunta del estudio?

Para estudiar este fenómeno, los investigadores hicieron experimentos en cuatro países: Finlandia, Escocia, Georgia y Estonia. Cada una de estas poblaciones varían en la proporción de polillas de cada color (Figura.1). Por ejemplo en la población de Escocia hay exclusivamente polillas amarillas. En Georgia la mayoría de las polillas tienen alas rojas y solamente algunas son amarillas. Finalmente en Finlandia y Estonia existen las tres coloraciones, blanco, amarillo y rojo. La pregunta es: ¿Cómo se puede mantener esta variación en la naturaleza si no parece ventajoso?

¿Qué experimentos hicieron?

Los investigadores querían saber que color de polillas eran más susceptibles a ser atacadas por pájaros, las blancas, las amarillas o las rojas, y sí esto variaba en cada país. Para contestar esta pregunta diseñaron y llevaron a cabo un experimento en el que crearon modelos artificiales de polillas, muy parecidas a las polillas reales (Figura.1). El cuerpo estaba hecho de plastilina, y las alas impresas en papel resistente al agua. Se aseguraron que los colores y el patrón de las alas artificiales fueran igual al de las alas de las polillas reales de cada localidad. Colocaron 60 modelos de polillas (20 rojas, 20 blancas y 20 amarillas) en el bosque en 15 localidades diferentes de cada país. Después de 4 días los investigadores regresaron al bosque y contaron el número de polillas que habían sido atacadas. Consideraban que el modelo había sido atacado por las aves si existían marcas en el cuerpo de plastilina o en las alas de papel.

Una de las principales hipótesis es que la comunidad de aves en cada localidad podría explicar como se mantiene la variación de color en las polillas. Esto es porque cada especie de ave puede  tener preferencias por un color determinado, o porque algunas especies aprenden más rápido que otras a evitar ciertos colores. Incluso la diversidad de aves en las localidades pueden cambiar las interacciones depredador-presa. Así que además de colocar modelos de polillas, los investigadores registraron la comunidad de aves de cada localidad, es decir, cuantas especies de aves existen y cuantos individuos de cada especie.

¿Qué esperaban encontrar con estos experimentos?

Primero, esperaban que el modelo del color que naturalmente predomina en cada país fuera menos atacado. Por ejemplo, en Escocia en donde predomina el amarillo los modelos de plastilina amarilla deberían ser los menos atacados.

Segundo, esperaban, que si la comunidad de aves afecta la presión de selección en las polillas, entonces el número de ataques sería diferente en los países con comunidades de aves distintas.

¿Qué encontraron?

Y sí, sus experimentos confirmaban lo que sospechaban. En total registraron 718 ataques a los modelos. El número de ataques fue relativo al color de la polilla ​más común en cada país. Por ejemplo, si es color amarillo es el más común, entonces las polillas amarillas son las menos atacadas, en relación a las polillas rojas y blancas. Es decir, entre más común el color de las alas en la población natural, menos atacado era el modelo, y entre menos común el color de las alas en las poblaciones naturales entonces el modelo era más atacado.

Además encontraron que el número de ataques no era igual en cada país y que la comunidad de aves está relacionada con la presión de selección que sufren las polillas. Por ejemplo, en Escocia, en donde las poblaciones naturales de polillas son solamente amarillas, es en donde más ataques a los modelos registraron y en los lugares en dónde las poblaciones naturales son más variables registraron menos ataques.

Figura 1. Se presenta (a) la frecuencia de los diferentes colores de polillas en las poblaciones naturales estudiadas y (b) los modelos que se utilizaron durante el experimento en Europa y Georgia. (Imagen tomada de: Rönkä et al. 2020)

¿Qué quieren decir los resultados?

Los resultados demuestran que la variación en los colores de las alas depende de la presión de selección que ejercen los depredadores sobre las polillas. La comunidad de aves puede variar en cada lugar, por ejemplo, en algunos países hay más especies de aves insectívoras que en otros, algunos lugares tienen más diversidad que otros. Incluso que en algunos países hay más especies que migran, mientras que hay otras que viven todo el año en la misma localidad. Todo esto puede afectar a la relación que existe entre depredador y presa. Por ejemplo, los pájaros que no migran son expertos y muy especializados en identificar a las presas de su localidad. En cambio un ave que viaja y se mueve de localidad con frecuencia no puede estar tan especializada en las presas de un solo lugar.

Por último es importante mencionar que los investigadores reconocen, que aunque encontraron evidencia de que la población de aves influye en la variación en la coloración de las polillas, pueden existir otros mecanismos que pueden influir. Por ejemplo el comportamiento de apareamiento de las polillas en cada país lo que resultaría en mayor flujo génico entre las poblaciones. Se necesita más investigación para conocer a profundidad el impacto de otros mecanismos.

En conclusión se encontró evidencia de que la comunidad de pájaros en cada localidad influye en el patrón de coloración de la polilla  Arctia plantaginis.

¿Cúales son las limitaciones del estudio?

Es difícil hacer estudios de ecología en el campo. En este estudio específico hay algunas limitaciones, por ejemplo los investigadores no tienen la certeza que los modelos dañados fueron atacados necesariamente por aves. Además los investigadores no tomaron en cuenta los modelos que desaparecieron, lo cuales también pudieron ser atacados por aves. Poder colectar estos datos sería extremadamente difícil ya que cada modelo debería ser vigilado durante todo el tiempo del experimento, lo que también podría afectar el comportamiento de las aves.

Dr. Mariana Villalba es investigadora postdoctoral en la Universidad de Jyväskylä. También es co-conductora de un podcast de divulgación de ciencia llamado EXPLEIN MI!! el cual puedes encontrar en cualquier plataforma digital, seguirnos en twitter y en instagram como @explein.mi y @explein_mi.

Some (Don’t) Like it Hot

Do latitudinal and bioclimatic gradients drive parasitism in Odonata? (2021) da Silva et al., International Journal for Parasitology. https://doi.org/10.1016/j.ijpara.2020.11.008

Image Credit: Adam Hasik, image cropped

The Crux

If there is one thing that people know about me and my research it’s that I love parasites. They’re everywhere, and more than half of all animals are parasites. They also make ecosystems more stable and link organisms within food webs to one another. For example, some parasites connect prey animals and their predators by making it easier for the predator to find and/or eat the prey. Though they can be found all over the world, there are a variety of environmental factors that make it more likely for a parasite to be found in a given environment. Today’s study focuses on one particular hypothesis related to the effects of the environment, the latitudinal diversity gradient (LDG, see Did You Know).

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Incorporating Parasites Into Community Ecology

I’ve said it before and I’ll say it again until I retire*: parasitism is THE most interesting (and arguably the most successful) life history strategy on the planet. Parasites are present in every ecosystem on the planet, and it is incredibly unlikely that any study system or ecological community is parasite-free. So why don’t we talk about them more?

As a disease ecologist, my work focuses on parasites and their place in the natural world, so I think about these organisms a lot. My PhD was centered on incorporating parasites into food webs to understand how they affect species interactions (and how species interactions in turn affect them). Failing to consider parasites can lead scientists to miss important aspects of an ecosystem and draw false conclusions.

Yet most ecological studies – even those which look at entire communities – fail to consider parasites and their effects on other organisms. I can’t blame them, parasite ecology can be difficult to get your head around. So today, I want to try and give ecologists everywhere some tips on incorporating parasites into their work.

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