 |
Compositional and functional biodiversity of aquatic assemblages along spatial and temporal gradients - vulnerability, resilience, implications for applied issues
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
120595 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Padisák, Judit |
| Title in Hungarian |
Vízi életközösségek szerkezeti és funkcionális biodiverzitása tér- és időbeli gradiensek mentén: sérülékenység, resziliencia, alkalmazott ökológiai vonatkozások |
| Title in English |
Compositional and functional biodiversity of aquatic assemblages along spatial and temporal gradients - vulnerability, resilience, implications for applied issues |
| Keywords in Hungarian |
plankton, gerinctelenek, ökológiai memória, tóméret, "small islnad" hatás, sérülékenység, resziliencia, biodiverzitás |
| Keywords in English |
plankton, invertebrates, ecological memory, lake size, small island effect, vulnerability, resilience, biodiversity |
| Discipline |
| Hydrobiology, ecological status assessment, applied ecology (Council of Complex Environmental Sciences) | 50 % | | Ortelius classification: Hydrobiology | | Environmental biology, ecotoxicology (Council of Complex Environmental Sciences) | 50 % | | Ortelius classification: Ecology |
|
| Panel |
Ecology and evolution 1 |
| Department or equivalent |
Limnology (University of Pannonia) |
| Participants |
Hammer, Tamás
Hubai, Katalin Eszter
Korponai, János
Lengyel, Edina
Nagyné Hajnal, Éva
Németh, Dávid
Pálmai, Tamás
Selmeczy, Géza Balázs
Stenger-Kovács, Csilla
Szabó, Beáta
Tapolczai, Kálmán
|
| Starting date |
2016-12-01 |
| Closing date |
2021-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
41.975 |
| FTE (full time equivalent) |
11.64 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A mikroszkopikus vízi közösségek gyors válaszidejük miatt rendkívül alkalmasak az ökoszisztéma folyamatok időbeli vizsgálatához, de térbeli (biogeográfiai) vizsgálatuk mikroszkopikus méreteik és diszperuiós mobilitásuk miatt nehéz. A közelmúltban kifejlesztett általános biológiai modellek elméleti keretet biztosítanak sok elemből álló renszerek kollektív válaszának elemzésére külső vagy belső driverek mentén. Az ilyen rendszerek a múltbéli “tapasztalatokat” alkalmazhatják a megfelelő rendszerválasz midolgozására, s ez az forrásfelhasználás maximalizásását teszi lehetővé. Ezek a koncepciók különösen hasznosak számos, a fitoplankton ökológiában észlelt, s eddig kevéssé magyarázott megfigyelések értelmezésében, s fordítva: a fitoplankton kitűnő modell a tanulási és döntéshozatali elméletek ökológiai relevanciájának empirikus tanulmányozásához. Ez nagyban segíti a mikrobiális rendszerek viselkedésének megértését, mivel a fitoplankton fajok a legkisebb, de még mikroszkóposan (többnyire) faji szinten meghatározható és számszerűsíthető élőlénycsoport. Térbeli skálák mentén tervezzük vizsgálni a fitoplankton, bentosz és zooplankton közösségeket és és ezek összefüggéseit. Számos megfigyelés ún. „Kozmopolita Paradigmát” a fitoplanktonra és más mikroszkopikus csoportra vonatkozóan(„Minden faj megtalálható mindenhol, de a környezet szelektál”). Új kutatások mutatták ki, hogy ez a koncepció nem állja meg a helyét. A projektben szeretnénk megvizsgálni a faj-area kapcsolatokban a „kis sziget hatás” érvényességét az említett közösségekre a kompozíciós diverzitás a taxonómiai távolság és funkcionális csoport eloszlások alapján, ökorégió méretű skálán.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A fitoplankton évszakos fejlődése karakterisztikusan 10-15 domináns fajjal jellemezhető, míg egy “átlagos tó” fajok százait tartalmazza: fajszám nagyobb, mint az az ökoszisztémafunkciók betöltéséhez szükséges lenne. Más komplex rendszerek (aminosavak, neuron- vagy szociális hálózatok) is sok egyedi egységből állank, és sajátságuk, hogy kialakítanak egy magot kevés, erős összeköttetésű elemből (“gyors elit”), ami gyors és hatékony rendszerválaszt tud adni külső (környezeti) hatásra a perifériás elemek részvétele nélkül. Viszont ha a behatás eltér a korábban tapasztaltaktól, a stimulus kiterjed a perifériára (“a tömeg bölcsessége”) így mobilizálva a kollektív memóriát, ami lassú, de adekvát rendszerválaszt eredményez. Specifikus kutatási kérdések a következők:
1. A fenti koncepció igazolható/cáfolható-e a fitoplankton közösségben,
2. Mia az új vagy ritka fajok hatása a rendszer viselkedésére,
3. Memóriaszegény rendszerek válaszmintázatainak értelmezése.
A vízi közösségek térbeli mintázatait vizsgálava új kutatások rávilágítottak több jelenségre, ami megkérdőjelezi a “kosmopolita paradigmát”. Specifikus kutatási kérdések:
1. A “kis sziget hatás” releváns-e a fitoplanktonban? Ha igen, hol a töréspontja?
2. Mi a hatása a tó mélységének és komplexitásának a fajgazdagságra és a funkcionális diverzitásra?
3. A tó/folyó mérete miképp befolyásolja a fitoplankton és a fitobentosz taxonómiai távolságát?
4. Kicsi, humingazdag tavak csoportos előfordulása révén több faj fordul-e elő, mint magányos tavakban? Magyarázható-e ez a konnektivitással?
5. Mi a zooplankton, bentikus diatómák és fitoplankton mintázatai környezeti/térbeli meghatározottságának foka?
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A legjobb tudásunk szerint, az ökológiai memória modellek adaptációja és a más, több elemű rendszerekre (aminosavak, idegi- és szociális hálózatok) fejlesztett modellek alkalmazása egy teljesen új irányvonal a fitoplankton ökológiai kutatásokban. Ez nyújtja a tervezett kutatás eredetiségét, továbbá nincs tudomásunk olyan kutatócsoportról - még globális szintensem - mely hasonló témát vizsgálna.
A térbeli skálához kapcsolódva, az International Association of Phytoplankton Taxonomy and Ecology legutóbbi konferenciáján a központi téma a következő volt: „Az édesvízi fitoplankton biogeográfiája és biodiverzitásának térbeli mintázata”, melynek eredményei a Hydrobiologia fkülönszámában jelent meg (Naselli-Flores & Padisák, 2016 a,b), s melyben egy áttekintő cikkünk is megjelent (Padisák és mtsi., 2016).
Számos itt közölt cikk fedett fel korábban ismeretlen térbeli kapcsolatokat, melyek további vizsgálatokat kívánnak. A témakörben felhalmozott tudás még messze nem egységes. Mivel ez egy alakuló és gyorsan fejlődő téma, számos laboratórium fókuszálhat e témára, úgy mint:
- MTA Ökológiai Kutató Központ, Tisza-kutató Osztály, Debrecen, Magyarország
- Department of Botany, Univ. Sofia, Bulgaria
- Institute of Nature Conservation, Polish Academy of Science, Kraków, Poland
- Section of Botany and Plant Ecology, University of Palermo, Italy
- Department of Hydrobiology, Jinan University, Guoangzhou, China
- Institut Nacional de Limnologia, Santa Fe, Argentina
- Department of Ecology, Genetics and Evolution, University of Buenos Aires, Argentina
- Department of Botany, University of Rio de Janeiro, Brazil
- Department of Fisheries and Wildlife Sciences, Texas, US
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az ökoszisztémák sajátsága, hogy sokkal több elemből állnak, mint ami az anyag- és energiaáramlás biztosítása szempontjából szükséges. Számos faj csak nagyon kis mennyiségben fordul elő, de lényegesen hozzájárul a biodiverzitáshoz, mely a rendszer ellenállóképességének, rugalmasságának alapja. Vizsgálatunk tárgya a fitoplankton mint modellközösség, melynek révén tanulmányozzuk az egyes elemek (fajok) hozzájárulását a rendszer alkalmazkodóképességéhez változó környezetben, beleértve a globális klímaváltozást és antropogén hatásokat. A fajok terjedésének fontos következménye - indukálja azt akár emberi vagy természetes hatás – hogy a flóra és fauna folyamatosan változik. Régóta ismert, hogy nagy méretű élőhelyek magasabb fajszámmal rendelkeznek, mint a kisebbek, „faj-terület kölcsönhatás”-nak nevezünk. Ez a kapcsolat nem lineáris, mert sok esetben létezik egy töréspont, amely élőhelyméret után a fajszám meredekebben emelkedik. Ez az úgynevezett „kis sziget hatás”. Másképp fogalmazva ez azt jelenti, hogy a kis tavakban kevesebb faj található meg mint, ami a tavak méretével arányos volna lineáris összefüggés esetén. Ez pedig ezen tavi ökoszisztémák sérülékenységének fokozódását okozza. A projekt célja az említett töréspont pontos meghatározása fitoplankton, zooplankton és bentikus diatóma közösségekben. A kutatás további célja az egymással összeköttetésben levő tavak vizsgálata, ahol feltételezhetően magasabb fajszám várható, mint az összeköttetésben nem álló tavak esetében, valamint az élőhely komplexitásának vizsgálata, mely befolyásolhatja a faj-terület kölcsönhatást. Az eredmények a későbbiekben felhasználhatók a környezeti hatásvizsgálatokban és a természetvédelemben.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Microscopic aquatic assemblages, due to their fast response time are very suitable to study temporal ecosystem processes but exploring their spatial determinants raises difficulties because of microscopic size and ease of dispersal. Recent advance in general ecology offered theoretical frameworks for explaining collective behaviour of systems comprising a number of individually evolved elements (species) when exposed to external (or internal) forcing. Such systems can benefit from utilizing past experience for providing fast and adequate response to new challenges thus maximizing resource allocation. This concept is particularly useful in conceptualizing a number of poorly understood observations in phytoplankton ecology. In return, phytoplankton provide an excellent model to empirically study ecological relevance of learning and decision-making theories in understanding behaviour of microbial systems since phytoplankton species represent the smallest but still microscopically (mostly) identifiable and quantifiable biota. As to the spatial scale, we intend to explore the spatial determination of especially phytoplankton, attached diatom and zooplankton assemblages and their inter-relationships. A number of evidences tended to sustain the so-called “Cosmopolitanism Paradigm” for phytoplankton and other microorganisms (“Everything is Everywhere, but environment selects”). Recent advance have shown that this concept cannot be maintained. Within this project we explore validity of the “Small Island Effect” of the species-area relationships for these assemblages in eco-region scale based on compositional diversity, taxonomic distinctness and functional trait distribution.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Seasonal development of phytoplankton can be characterized by only some 10-15 dominant species while flora of an “average lake” comprises hundreds. The number of species is higher than the number of species necessary to fulfil ecosystem functions. Other complex systems (amino acids, neuronal or social networks) also comprise many units and such systems develop a core of well-connected elements (‘fast minority’) that can provide fast and efficient responses to external stimuli without involvement of peripheral elements. If the stimulus is unusual or not experienced previously, it propagates to the periphery (‘crowd’) thus mobilizing collective memory from which a slow but adequate response emerges. Specific research questions targeted on
1. Use of phytoplankton supporting/falsifying the above concepts,
2. The effect of emergence of new or rare species on system behaviour,
3. Study response patterns of systems without memory.
Recent development in spatial determination of aquatic assemblages highlighted a number of phenomena that offend the “Cosmopolitan paradigm”. Specific research questions:
1. Is the Small Island Effect relevant for phytoplankton? If yes, what is the breakpoint?
2. What is the influence of lake depth and habitat complexity on species richness and functional diversity?
3. How does lake/river size influence taxonomic distinctness of phytoplankton and attached diatoms?
4. Do small humic lakes occurring in groups support more diatom- and silica-scaled flagellate species than solitary ones? Can it be explained by connectivity?
5. What is the degree of environmental/spatial determination of zooplankton, attached diatoms and phytoplankton?
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
According to our best knowledge, adaptation of ecological memory models and application of models developed for other multi-element systems (amino-acids, neuronal- and social networks) has been a completely new line in phytoplankton ecology. This provides the originality of the proposed research and we do not know about competing research groups at a global scale.
Concerning the spatial scales, he last workshop of the International Association of Phytoplankton Taxonomy and Ecology centered on the topic “Biogeography and Spatial Patterns of Biodiversity of Freshwater Phytoplankton” and results were published in a special issue of the Hydrobiologia (Naselli-Flores & Padisák, 2016a,b) with a contributing review paper (Padisák et al., 2016). A number of contributions in this volume disclosed previously unknown spatial relationships that need further testing. The knowledge on this area is far of being consolidated. As it is an emergent and fast developing topic, a number of laboratories may concentrate on it especially at
-MTA Ecological Research Center, Department of Tisza Research, Debrecen, Hungary
- Department of Botany, Univ. Sofia, Bulgaria
- Institute of Nature Conservation, Polish Academy of Science, Kraków, Poland
- Section of Botany and Plant Ecology, University of Palermo, Italy
- Department of Hydrobiology, Jinan University, Guoangzhou, China
- Institut Nacional de Limnologia, Santa Fe, Argentina
- Department of Ecology, Genetics and Evolution, University of Buenos Aires, Argentina
- Department of Botany, University of Rio de Janeiro, Brazil
- Depaertment of Fisheries and Wildlife Sciences, Texas, US
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
It is a general feature of ecosystems that they comprise much more elements than necessary for processing matter and energy. Other elements occur only in very small density but contribute essentially to biodiversity, which is considered to be the basis of resilience of the system. In this project, using phytoplankton and model assemblage, we investigate how these memory elements emerge and may help the adaptation of the system to changing environment including global climate change or human management. An important consequence of spatial dispersal of species either by natural vectors or by human actions has been a continuous change of fauna and flora. It was discovered long ago that large habitats support more species than small one, this is called “species-area relationships”. Another observation is that the relationship is not linear but has a breakpoint above which species number increases fast. This is called “small island effect”. It means that small lakes contain less species than would be proportional to their size, and the consequence of this restricted memory might be responsible to increased vulnerability. In this project we are looking for the exact position of the breakpoint for phytoplankton, zooplankton and benthic diatoms. The research considers also that lakes occurring in groups are interconnected therefore they may support more species (via cross-dispersal) than solitary lakes, moreover, that habitat complexity may influence species-area relationships. The research results can be applied in environmental impact assessment and nature protection.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
