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Titel:Environmental drivers of colour and size in insects: A macroecological perspective
Autor:Zeuss, Dirk
Weitere Beteiligte: Brandl, Roland (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2017
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2017/0501
DOI: https://doi.org/10.17192/z2017.0501
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2017-05013
DDC: Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.):Umwelteinflüsse auf die Färbung und Größe von Insekten aus makroökologischer Perspektive
Publikationsdatum:2017-06-26
Lizenz:https://rightsstatements.org/vocab/InC-NC/1.0/

Dokument

Schlagwörter:
Körpergröße, Geografie, Farbe, Schmetterlinge, colour, size, Insekten, insects, lepidoptera, Melanismus, Ökologie, Macroecology

Summary:
Climatic conditions have profound effects on the geographical distribution of species across diverse taxa and regions. However, the role of traits of species that underpin the relationship between distribution and climate is poorly understood, especially in animals. Although many physiological and local-scale studies on animals have demonstrated associations between traits and climate, to what extent such mechanistic links may impact distribution patterns of species at macroecological scales remains largely unknown. In insects, colour and size are two very important and highly multifunctional traits, which play pivotal roles in natural and sexual selection, and may hence be related to climate. The colour of insects comprises several functions, namely crypsis, aposematism, sexual selection, species recognition, UV resistance, pathogen resistance and thermoregulation. However, the relative importance of single functions is often unclear because several functions of colouration can act simultaneously. Hitherto, thermoregulation through thermal melanism is supposed to be the dominant function of colouration in insects. Dark-coloured individuals heat up faster and attain higher steady-state body temperatures compared to light-coloured individuals of similar size under equal environmetal conditions and light-coloured individuals are supposed to have advantages in warmer climates because of a reduced risk of overheating. However, it is unknown to which extent this physical mechanism influences the colour lightness of species in response to different thermal environments at macroecological scales and across continents. Moreover, thermoregulation is not the only function of colouration of insects and it is unknown to which extent other functions of colouration dominate in particular geographical areas and taxa and thereby form macroecological patterns. The size of insects affects almost all physiological rates (e.g. rate of oxygen consumption), which subsequently determine or constrain fertility, mortality and ecological processes such as competitive interactions between individuals or species. In this way, body size is ultimately linked to the spatiotemporal distribution and abundance of animals and has important implications for the impact of climate warming – from biomass production by single species to the structure and dynamics of communities.However, a synthesis and analysis of the major environmental driver for the large-scale geographical variation of insect body size is missing so far. In this thesis, I use lepidopteran and odonate species to address the following questions: i) Are assemblages of diurnal insects darker coloured in colder regions and lighter coloured in warmer regions? ii) Is crypsis, pathogen resistance or protection from UV radiation associated with large-scale geographical variation in the colouration of insects? iii) What are the major environmental drivers for the large-scale geographical variation of body size in insects? In conclusion, colour and size of insects are related to their geographical distribution even at macroecological scales. The underlying mechanisms are especially driven by environmental temperatures: for colour because of its effect on thermoregulation and immune function, and for size because of the temperature dependency of metabolic rates and voltinism. With global warming, I would thus expect that especially dark-coloured and/or large aquatic insects might shift their distribution and retreat from warmer areas. Furthermore, insect species with the ability to increase their annual number of generations should benefit and extend their distribution to higher latitudes.

Zusammenfassung:
Das Klima hat grundlegende Auswirkungen auf die Verbreitung von Arten. Ein mechanistisches Verständnis des Zusammenhangs zwischen Merkmalen von Arten, der räumlichen Verbreitung von Arten und klimatischen Bedingungen fehlt jedoch weitestgehend, vor allem bei Tieren. Obwohl viele physiologische und kleinräumige Studien Zusammenhänge zwischen Merkmalen von Arten und klimatischen Bedingungen gezeigt haben, ist weitgehend unbekannt, inwieweit solche mechanistischen Zusammenhänge die Verbreitung von Arten auf makroökologischer Skala beeinflussen. Bei Insekten sind Farbe und Körpergröße zwei wichtige multifunktionale Merkmale, die zentrale Rollen bei natürlicher und sexueller Selektion einnehmen und deswegen mit klimatischen Bedingungen in Beziehung stehen könnten. Die Farbe von Insekten wird mit Tarnung, Aposematismus, sexueller Selektion, Arterkennung, Resistenz gegen UV-Strahlung und Pathogene sowie Thermoregulation assoziiert. Die relative Wichtigkeit einzelner Funktionen ist jedoch oft unklar, weil mehrere Funktionen von Farbe simultan wirken können. Bisher wird davon ausgegangen, dass Thermoregulation durch thermalen Melanismus die dominante Funktion der Farbe bei Insekten ist. Dunkle Individuen erwärmen sich schneller und erreichen höhere Körpertemperaturen verglichen mit hellen Individuen unter gleichen Umweltbedingungen. Helle Individuen hingegen sollten durch ein geringeres Risiko zu Überhitzen einen Vorteil in warmen Klimaten besitzen. Es ist jedoch unbekannt, inwiefern dieser physikalische Mechanismus die Helligkeit von Arten in Abhängigkeit der thermalen Umgebung auf makroökologischer Skala und über Kontinente hinweg beeinflusst. Darüber hinaus ist Thermoregulation nicht die einzige Funktion von Farbe und es ist unbekannt, inwiefern andere Funktionen von Farbe in bestimmten Gebieten und Taxa dominieren und dadurch makroökologische Muster generieren. Die Körpergröße von Insekten beeinflusst fast alle physiologischen Prozesse (z.B. den Sauerstoffverbrauch), die wiederum Fertilität, Mortalität und ökologische Prozesse wie z.B. die Konkurrenz zwischen Individuen oder Arten bestimmen. Somit ist die Körpergröße letztendlich mit der raumzeitlichen Verbreitung und Abundanz von Arten verbunden, was wichtige Implikationen für Auswirkungen des Klimawandels hat – von der Biomasseproduktion einzelner Arten hin zur Struktur und Dynamik von Artgemeinschaften. Bisher gibt es jedoch noch keine Synthese und Analyse der wichtigsten Umwelteinflüsse auf die großräumige Verbreitung der Körpergröße von Insekten. In dieser Arbeit verwendete ich Lepidopteren (Tag- und Nachtfalter) und Odonaten (Groß- und Kleinlibellen), um die folgenden Fragen zu bearbeiten: i) Sind Gemeinschaften tagaktiver Insekten im Mittel dunkler in kälteren Regionen und heller in wärmeren Regionen? ii) Ist Tarnung, Resistenz gegen Pathogene oder Schutz vor UV-Strahlung assoziiert mit großräumiger Variation in der Farbe von Insekten? iii) Was sind die wichtigsten Umwelteinflüsse auf die großräumige Variation der Körpergröße von Insekten? Diese Arbeit demonstriert, dass Farbe und Körpergröße selbst auf makroökologischer Skala in Beziehung zur geographischen Verbreitung von Insekten stehen. Die zugrunde liegenden Mechanismen sind vor allem durch die Umgebungstemperatur gesteuert: Bei der Farbe durch deren Effekt auf Thermoregulation sowie Immunfunktion und bei der Körpergröße durch die Temperaturabhängigkeit metabolischer Raten und des Voltinismus. Mit der Klimaerwärmung erwarte ich von daher, dass vor allem dunkle und/oder große aquatische Insekten ihre Verbreitungsgebiete verändern und sich von wärmeren Regionen zurückziehen. Insektenarten mit der Fähigkeit, ihre jährliche Anzahl von Generationen zu erhöhen, sollten hingegen von steigenden Umgebungstemperaturen profitieren und ihre Verbreitungsgebiete in höhere Breiten ausdehnen.


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