CST Fundamentos de Ecologia e de Modelagem Ambiental aplicados à conservação da Biodiversidade. Dalton M. Valeriano Silvana Amaral

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1 CST Fundamentos de Ecologia e de Modelagem Ambiental aplicados à conservação da Biodiversidade Dalton M. Valeriano Silvana Amaral

2 Objetivo Discutir com os alunos da Ciência do Sistema Terrestre a teoria e metodologias para estudo da biodiversidade, enquanto componente básico e funcional do sistema terrestre.

3 Dinâmica Estudos orientados - cada aluno irá desenvolver um tema de pesquisa, com apoio e assistência do grupo A cada aula um artigo a ser discutido e o acompanhamento de cada projeto individual

4 Avaliação Seminário sobre o tópico de estudo Paper a ser submetido (Inglês)

5 Próximo rendezvous DANIEL B. BOTKIN et al. Forecasting the Effects of Global Warming on Biodiversity BioScience (2007),57(3):227 doi: /b WILLIS, K.J. et al. Biodiversity baselines, thresholds and resilience: testing predictions and assumptions using palaeoecological data. Trends in Ecology and Evolution (2010) 25(10): Special Issue: Long-term ecological research. GUISAN, A. & ZIMMERMANN, N.E. Predictive habitat distribution models in ecology. Ecological Modelling 135 (2000)

6 Ementa Original - GERAL Biodiversidade causas, padrões e importância da distribuição das espécies. Conceitos ecológicos associados à biodiversidade. Métodos diretos e indiretos de avaliação de Diversidade Biológica. Dados bióticos e abióticos para e estimativa e modelagem de biodiversidade. Modelos de distribuição de espécies como ferramentas para estudo de biodiversidade. Importância de aspectos históricos e interações bióticas para biodiversidade e modelos de comunidade. Perda de habitat, fragmentação espacial e modelos em ecologia de paisagens. Modelagem de biodiversidade e mudanças globais.

7 CST Fundamentos de Ecologia e de Modelagem Ambiental aplicados à conservação da Biodiversidade AULA 2 Conceitos de Biodiversidade - Previsões dos efeitos de Aquecimento Global sobre a Biodiversidade e Importância de dados Paleoecológicos Dalton M. Valeriano Silvana Amaral Camilo Rennó Eduardo Arraut

8 Biodiversidade (IBGE) Biodiversidade: Total de genes, espécies e ecossistemas de uma região. A biodiversidade genética refere-se à variação dos genes dentro das espécies, cobrindo diferentes populações da mesma espécie ou a variação genética dentro de uma população. A diversidade de espécies refere-se à variedade de espécies existentes dentro de uma região. A diversidade de ecossistemas refere-se à variedade de ecossistemas de uma dada região. A diversidade cultural humana também pode ser considerada parte da biodiversidade, pois alguns atributos das culturas humanas representam soluções aos problemas de sobrevivência em determinados

9 Biodiversidade Biodiverdidade: origem na expressão biological diversity (Wilson & Peter, 1998) Adotada por Huston (1994) englobando todos os níveis de variação natural, do nível molecular e genético até o nível de espécies. Biodiversidade ~ estimativa da variação biótica Hurlbert (1970) este conceito é tão amplo que seria um não-conceito : deveria se referir a fatos e dados empíricos, e ser um descritor da estrutura da comunidade ecológica

10 Biodiversidade Várias medidas foram propostas: Magurran (1988) diversidade poderia ser medida pelo n de spp, pela descrição das distribuição e abundância relativa das spp, ou combinação dos dois; Ricklefs (1990) diversidade expressa o n de spp numa área ou região, a variedade de organismos dentro de uma região proveniente da substituição de spp entre habitats, e representa uma medida de variedade de spp em uma comunidade considerando a abundância relativa de cada sp.

11 Biodiversidade Robert Whittaker (1972) - "Diversity in the strict sense is richness in species, and is appropriately measured as the number of species in a sample of standard size - descreveu três termos para medir a biodiversidade quanto às escalas espaciais: Diversidade alfa = a diversidade pontual na unidade amostral; refere-se à diversidade dentro de uma determinada área ou ecossistema, e é normalmente expressa pelo número de espécies (ou seja, a riqueza de espécies) existentes nesse ecossistema. R.H. Whittaker. Evolution and measurement of species diversity. Taxon, 21: , 1972 Sp Ecos1 Ecos 2 Ecos3 A x B x C x D x E x F x x G x x H x x I x x J x x K x L x x M x N x ALPHA BETA H1-H2: 7 H2-H3: 8 H1-H3: 13 GAMMA

12 Biodiversidade Diversidade beta = comparação da diversidade entre ecossistemas, medida pela quantidade de mudança de spp entre os ecossistemas; OU quantidade de variação de composição numa amostragem (coleção de Unidades amostrais) - taxa na qual as spp se acumulam em um censo, conforme o censo se move em linhas retas distante de um ponto; - Mede a variação da diversidade de sp entre ecossistemas diferentes A declividade da curva sp-área é uma medida da diversidade beta Sp Ecos1 Ecos 2 Ecos3 A x B x C x D x E x F x x G x x H x x I x x J x x K x L x x M x N x ALPHA BETA H1-H2: 7 H2-H3: 8 H1-H3: 13 GAMMA

13 O que é diversidade beta? (Nelson, 2006) Cada pixel de uma imagem tem atributos de brilho, independente de seus vizinhos. Isto é como a diversidade alfa de cada inventário; A heterogeneidade dos pixels é um atributo de um conjunto de pixels, não de cada pixel. Da mesma forma, um inventário florestal, sozinho, não pode ter uma diversidade beta. Pensando por exemplo nos inventários do RADAM: Flora homogênea entre diferentes inventários no espaço diversidade beta baixa Flora heterogênea no espaço alta diversidade beta 13

14 Biodiversidade Robert Whittaker (1972) Diversidade gama = o número de spp de uma região como todo; - diversidade geral numa coleção de unidades amostrais, nível de paisagem - É uma medida da diversidade global para os diferentes ecossistemas dentro de uma região. - Hunter (2002) define diversidade gama como "a diversidade de espécies em escala geográfica Sp Ecos1 Ecos 2 Ecos3 A x B x C x D x E x F x x G x x H x x I x x J x x K x L x x M x N x ALPHA BETA H1-H2: 7 H2-H3: 8 H1-H3: 13 GAMMA

15 Biodiversidade (Begon, 2006) Distinguir entre riqueza de espécies = o número de espécies presentes em uma área geográfica; e biodiversidade. Na sua forma mais simples, biodiversidade é sinônimo de riqueza de espécies. Biodiversidade pode também ser visto em escalas menores e maiores que espécies. Incluir a diversidade genética entre as espécies, reconhecendo o valor da conservação de populações e subespécies geneticamente distintos. Sp sem parentes próximos devem ser preservadas, de modo a garantir a maior variedade evolutiva possível para a biota (diversidade filogenética) Em escalas maiores, pode-se incluir na biodiversidade a variedade de tipos de comunidades presentes em uma região - pântanos, desertos, sucessão florestal em estágios precoce e tardios, etc. "biodiversidade" pode ter uma diversidade de significados atenção quanto seu uso!!

16 CST Fundamentos de Ecologia e de Modelagem Ambiental aplicados à conservação da Biodiversidade AULA 2 Padrões Globais de Biodiversidade Dalton M. Valeriano Silvana Amaral Camilo Rennó Eduardo Arraut

17 Distribuição da biodiversidade na Terra - poucos padrões espaciais de larga escala. ++ Gradiente --

18 Entender Padrões Globais ( febre década 90): 1. Mais dados (id de spp + ocorrências + mapas de distribuição + RS) e ferramentas (analíticas) disponíveis 2. Preocupação com o futuro da Biodiversidade status atual, predições MC, e estratégias para conservação/uso sustentável Fácil Solução: Resolver a incompatibilidade de escalas: m 2 no campo x modelos de mudanças de uso da terra/clima

19 Estudos de padrões globais: - Hotspot e coldspots da diversidade biológica - Comparações entre reinos e regiões biogeográficas - Variações com escala espacial (sp-área e riqueza loca-regional) - Gradientes (lat, long, alt, profund, penínsulas, baias, isolamento, produtividade/energia e aridez) - Formas de vida (genes ecossistemas), análises de variação espacial de biodiversidade => Riqueza de spp - Sp como unidade biológica e facilidade de acesso a dados. Muita atenção para a variação latitudinal de riqueza de spp, Pouco se sabe sobre a diversidade genética, de indivíduos ou populações no gradiente latitudinal - Artigo se propõe a apresentar a interação entre fatores para os padrões globais de biodiversidade

20 Estudos de padrões globais: - Hotspot e coldspots da diversidade biológica - Comparações entre reinos e regiões biogeográficas - Variações com escala espacial (sp-área e riqueza local-regional) - Gradientes (lat, long, alt, profund, penínsulas, baias, isolamento, produtividade/energia e aridez) - Formas de vida (genes ecossistemas), análises de variação espacial de biodiversidade => Riqueza de spp - Sp como unidade biológica e facilidade de acesso a dados. Muita atenção para a variação latitudinal de riqueza de spp, Pouco se sabe sobre a diversidade genética, de indivíduos ou populações no gradiente latitudinal - Artigo se propõe a apresentar a interação entre fatores para os padrões globais de biodiversidade

21 Padrões de Riqueza a) minhocas em áreas que variam de 100 m 2 para > 500 mil km 2 em toda a Europa

22 Padrões de Riqueza b) aves em quadrículas (~ 611 mil km 2 ) em todo o Novo Mundo

23 Padrões de Riqueza c) peixes lacustres na América do Norte (laranja - grandes lagos, azuis pequenos lagos)

24 Padrões de Riqueza d) morcegos em Manu Parque Nacional e Reserva da Biosfera, Peru.

25 Padrões de Riqueza e) plantas lenhosas em quadrículas ( km 2 ) no sul da África.

26 Padrões de Diversidade no Tempo Geológico da Terra

27 Padrões de Diversidade em Gradientes de Latitude Mapa da diversidade de espécies vegetais por superfícies de densidade (número de espécies por km2) nas Américas e no número de espécies de plantas por 0,1 hectares, em diferentes localidades. Cada barra representa o valor médio para os locais de várzea (até 1000 m acima do nível do mar), localizado na proximidade dentro de uma faixa latitudinal. (O número de sites para cada valor médio varia)

28 Gradientes de Latitude na riqueza de spp - Maior proporção de spp terrestres e de água doce ocorre nos trópicos - (Protistas, árvores, formigas, pica-paus e primatas) - Considerando tb gradiente de resoluções espaciais - Gradiente pode ser íngreme (área =: n sp trópicos >>> temperada) - Refinamentos: - Declínio de riqueza com latitude é mais rápido no Hemisfério N que no S! - Pico de riqueza não está no Equador, mas longe dele! - Não é tão surpreendente: ocorre no clima atual, no eventos climáticos históricos, e na complexidade de geometria e área de terra e oceano. - O gradiente Latitudinal da riqueza de sp é uma abstração grosseira! - Padrões subjacentes são perturbados por variações de outras variáveis de posição (long, alt, depth) e ambiental (topografia, aridez). O Padrão detalhado / lat depende de onde se olha, refletindo o padrão geral de variação espacial de riqueza - Lat não pode ser determinante de riqueza per si, mas uma correlata de fatores ambientais - Gradiente latitudinal é um consequência da variação espacial do balanço: (+) Especiação e imigração de spp X (-) Extinção e emigração de spp

29 Gradientes de Latitude na riqueza de spp - ÁREA (+) Especiação e imigração de spp Extensas áreas: especiação e extinção (global e regional) dominantes, (i)emigração são menos importantes; Inúmeras explicações para riqueza dos trópicos: chance, perturbações históricas, estabilidade ambiental, heterogeneidade de habitats, produtividade e interações interespecíficas; Modelos da estrutura física da Terra pra tentar desvendar o gordian knot Modelo nulo sem gradiente, associação aleatória com latitude - Aplicável para distribuições limitadas por limites físicos 2. Importância da área (trópicos - maior superfície de clima similar) - área das superfícies/lat decrescem para os pólos - gradiente de T não é linear em direção aos pólos - zonas climáticas semelhantes ao N e S X (-) Extinção e emigração de spp ASSIM: áreas maiores >> maiores taxas de especiação >> menores P de extinção Regiões Tropicais tem maior riqueza de extratropicais Porém, e o gradiente? Zonas ecoclimáticas deveriam ser representadas no modelo. (São maiores em altas latitudes!!!!!!!!!!)

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31 Gradientes de Latitude na riqueza de spp - ÁREA Zonas ecoclimáticas deveriam ser representadas no modelo. (São maiores em altas latitudes!!!!!!!!!!) a) Baixa produtividade/energia em altas latitudes reduzem a riqueza (compensando o efeito de área sozinho) b) zonal bleeding de sp tropicais para regiões extra-tropicais suavizam o gradiente c) A grande variabilidade climática das altas latitudes aumentam a área da zona ecoclimática q a sp pode ocupar => indivíduos devem ter ampla tolerância ambiental Se um padrão é comum a muitos taxa, deve ser resultante de um mesmo mecanismo Padrões de biodiversidade são provavelmente gerados por muitos mecanismos contribuintes. O mais forte e mais geral pode ser aquele conde todos os diferentes mecanismos conduziram para a mesma direção Vários mecanismos para o gradiente latitudinal foram identificados, e apesar de poucos processos se oporem a esta tendência, nenhum mecanismo sozinho provou ser suficiente!

32 Relações spp-energia - N de sp x energia disponível no ambiente (NPP) - Escala espacial na observação? Escala LOCAL - hump-shaped relationship - Temperado-polos (Fig) relação (+) e monotônica - Plantas melhor com calor e H 2 O: evapotr. atual e NPP - Animais melhor com calor : T média anual e evapotr. potencial Escala Geográfica -?? - Positiva e monotônica, podem quebrar (?) - As relações dependem da medida de energia e o táxon em questão - Relação positiva esperada: + energia => + biomassa=> mais indivíduos coexistindo => mais spp em abundâncias que mantêm pop viáveis > Riqueza (se há equivalência entre spp e as demandas de Energia viável) E Ainda (fauna) Dens média e tamanho do corpo de spp com Energia a ) Mean monthly summer temperature ( o C) and richness of breeding birds in Britain (grid cells of 10 km x 10 km). b) Mean annual sea surface temperature and richness of eastern Pacific marine gastropods (bands of 1 o latitude). c) Potential evapotranspiration (mm yr 1 ) and richness of Epicauta beetles (Meloidae) in North America

33 Relações spp-energia - Comparável com o padrão de sp-área: 1. Ambos variação de energia solar e água. (Zonas ecoclimaticas, latitude, area, energia ) => joint effect 2. Modelo de área- área ~ riqueza devido ao tamanho do gradiente geográfico Modelo mais indivíduos : Energia influencia S riqueza pelo tamanho da pop Relação geral positiva interespecífica entre tamanho total de pop(densidade local) e tamanho do gradiente geográfico Ambos mecanismos dependem de algum fator que influencia a biomassa a ser trabalhada em especiação e extinção, que será um produto de área e energia disponível por unidade de área. POR ISSO: pequenas áreas tendem a ser pobres em spp mesmo com alto input de energia, enquanto que áreas extensas tendem a ser pobre em espécies se há pequeno input de energia!

34 DIFICULDADES: 1. N de indivíduos energia e biomassa total pode não valer para plantas (biomassa e n ind x riqueza de spp animais tb é desconhecido) 2. Muitos taxa usam uma pequena porção da energia total disponível => difícil de obs a relação ssp-energia. Ex AVES 3. Muitos casos não consideram a variância dos níveis de energia para a riqueza das spp. (Energia alta, com variabilidade alta, não condicionaria a mesma riqueza). Sistemas marinhos tem relação positiva entre E e var => explicaria pq riqueza não estaria associada a alta produtividade 4. Escalas regionais a riqueza não é resultante de condições ambientais, especiação e extinção não operam nesta escala. Se o mod de mais-individuos for usado, deve pressupor que as condições presentes são proxies das passadas, ou pelo menos de diferenças relativas - Ainda pode-se discutir a o papel da disponibilidade de energia e dos Fatores históricos para os padrões globais (arvores em florestas tropicais principalmente)?? - Diferença entre continentes e latitudes vem da var da evapotransp anual atual ou dos processos evolutivos e geográficos de long-tempo?? Filogenia molecular pode dar algumas dicas!

35 Relações entre riqueza local e regional knowledge of the roles of pattern and process at different scales is at the very heart of an understanding of global variation in biodiversity. - Tipo I S local pode ser diretamente proporcional a S regional (mas menor q), seguindo um modelo de amostragem proporcional - Tipo II - com S regional, S local pode atingir um patamar, acima do qual ele não cresce, apesar do aumento da S regional

36 Relações entre riqueza local e regional - Exs. S regional explica muito (75%) da variância da S local; e S local contribui (>50%) para a S regional - Observações em gradientes espacial de riqueza local e regional Não confundir mecanismo com padrão! Tipo I dominante: não há limite para diversidade local: a. Relações ecológicas não são forte suficiente para reduzir S b. Energia limitaria n indivíduos localmente c. Em contradição com variação regional da Diversidade beta (β = S/α (α= local S) Então>>> Uma comunidade local é composta a partir de um pool regional de spp.! Tamanho e estrutura deste pool vai depender de processos regionais Incluindo efeitos geofísicos, história, processos eco e evolutivos de larga escala Como migração, invasão, especiação e extinção regional. Estruturas locais e regionais de assembléias são inseparáveis!!!! c) peixes lacustres América do Norte (laranja - grandes lagos, azuis pequenos lagos)

37 Covariância Taxonômica em S knowledge of the roles of pattern and process at different scales is at the very heart of an understanding of global variation in biodiversity. - Para grupos terrestres e de água doce, há maior riqueza nos trópicos q em z temperadas, em baixas ao invés de altas elevações e em florestas que em desertos. ENTAO... seria esperado que: - A riqueza regional de diferentes grupos teriam covariação positiva, e como riqueza local e regional são correlacionadas, riqueza local seria tb correlacionada com regional. - MAS sempre há um mismatch deste padrão pra atrapalhar, um pico fora de lugar... Ou a correlação é fraca entre os grupos, ou de limitado valor preditivo. (FIG) Riqueza de espécies de diferentes grupos de vertebrados (células de 240 x 240 km) em toda a Austrália. a) os pássaros, b) rãs e c) cobras, com marsupiais

38 Riqueza de espécies de diferentes grupos de vertebrados (células de 240 x 240 km) em toda a Austrália. a) os pássaros, b) rãs e c) cobras, com marsupiais Padrões Globais de Biodiversidade Covariância Taxonômica em S knowledge of the roles of pattern and process at different scales is at the very heart of an understanding of global variation in biodiversity. - Efeito de esforço de captura problema para comparar grupos - Falta de conhecimento taxonômico, ou viés pela afinidade taxonômica - Mesmo se dois grupos tem gradiente similar de diversidade, há diferenças entre as tendências. Ex. grupos com picos de diversidade em médias-altas latitudes - Exceções tendem a ser mais frequentes em baixos níveis taxonômicos que em altos.

39 Heterogeneidade de Habitats e distância dos centros de dispersão... - Particularidade / grupo

40 Conclusões Boa parte da variação regional de S pode ser explicada estatisticamente por poucas variáveis ambientais PORÉM... Longe de ser uma teoria preditiva para S!!!? Contingências evolvidas nos padrões, e a significância N de spp é determinado pelas taxas de nascimento, morte, i(e)migração, das spp em uma área. Taxas são determinadas pelos fatores bióticos e abióticos agindo em escalas locais e regionais. Apesar de múltiplos fatores contribuírem, se um influencia em um eixo espacial (eg latitude), os outros serão mantidos... (???) Relações entre S e energia foi considerada associada aos gradientes de latitude, elevação e profundidade. Não é apenas a situação atual dos fatores que importa, mas também suas dinâmicas históricas. IMPORTANTE: - informações desde geneticistas até ecólogos de ecossistemas para estudar os padrões - nenhum mecanismo único explica um padrão - padrões observados podem variar com a escala espacial - processos em escalas regionais influenciam patrões em escalas locais - nenhum padrão é livre de variações e exceções!