Δομή και δυναμική δικτύων αλληλεπίδρασης φυτών επικονιαστών και οι παράγοντες που τα επηρεάζουν

Abstract

In this PhD thesis we studied the interactions between plants and pollinators and the way they organize themselves into communities. These communities tend to exhibit an asymmetric and nested structure while at the same time it is observed that species tend to form species groups by interacting mainly with each other rather than with species belonging to other groups. Most importantly, these patterns of community organization have been associated with community stability, ecosystem functions and allow us to gain a more comprehensive view of how communities behave in the face of potential disturbances that may be caused by climate change, habitat loss or even the emergence of invasive species. First, we investigated the bidirectional relationship between gross primary productivity, pollination network structure and species richness. The relationship between biodiversity and the ecosystem functions of a community remains a topic of ongoing debate. However, it remains unclear, whether biodiversity drives productivity or productivity shapes biodiversity, or whether the relationship is bidirectional. Studies of biodiversity and the ecosystem functions of a community have so far dealt almost exclusively with the relationship that develops between species richness and ecosystem function. In contrast, the role of biotic interactions, a key factor in the formation and functioning of ecosystems, has not received the same attention. Our research confirms the bidirectional relationship between biodiversity and productivity and highlights the bidirectional relationship between productivity and the structure of the pollination networks. However, interpreting, understanding and identifying the factors that shape these relationships was not an easy task. We observed that the mean gross productivity influences diversity (especially pollinator diversity) with the opposite relationship being stronger. Similarly, the structure of pollination networks shapes mean gross productivity, with less productive networks showing high levels of specialization. Finally, the nested structure of communities is significantly correlated with smaller values of the interannual variability of gross primary productivity. The scale used in a study may affect our conclusions about community organization, species richness and distribution, but it can also influence its results, leading to incorrect conclusions about the structure of interaction networks. Therefore, in order to evaluate the way communities are organized, it is essential to understand the effect of scale on the characteristics of the structure of the networks. Most studies have addressed how the temporal dynamics of species and their interactions and how temporal scale affects the structure of interaction networks. In this thesis we focused on the spatial dimension of the above relationship. In network analysis, the aggregation of interaction networks is the most widespread methodology in order to examine the effect of scale in interaction networks. At first, we examined whether the geographical distance of the aggregation networks affects our conclusions about network structure’s topology. This idea arose from the fact that the more distant two sampling sites are, the more their similarities in terms of species composition and environmental conditions decrease, two factors that may shape the establishment or not of an interaction. Our results showed that the more distant two sampling sites are, the more they differ in terms of species composition and interactions, which modulates lower levels of nestedness and higher levels of compartmentalization when aggregating the more distant networks. However, many times in network analysis we are called upon to construct and study networks originating from the aggregation of many different sampling sites. This increases the chances of forming new interactions between partners that under other circumstances might never have met in space or time. Understanding the effect of sampling scale on the networks topology is necessary in order to evaluate the behavior of communities in the face of forthcoming environmental changes. Our analysis showed that increasing scale does not significantly correlate with the nestedness and modularity of pollination networks but leads to higher levels of generativity.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήσαμε τις σχέσεις που αναπτύσσονται μεταξύ φυτικών ειδών και των ειδών επικονιαστών καθώς και τον τρόπο με τον οποίο οργανώνονται σε κοινότητες. Οι κοινότητες αυτές τείνουν να εμφανίζουν μια εγκιβωτισμένη δομή ενώ ταυτόχρονα παρατηρείται ότι τα είδη που τα απαρτίζουν τείνουν να σχηματίζουν ομάδες ειδών αλληλοεπιδρώντας κυρίως μεταξύ τους παρά με είδη που ανήκουν σε άλλες ομάδες. Το σημαντικότερο όμως είναι ότι τα παραπάνω πρότυπα οργάνωσης των κοινοτήτων έχουν συσχετιστεί με τη σταθερότητα τους, τις οικοσυστημικές λειτουργίες και μας επιτρέπουν να αποκτήσουμε μια πιο ολοκληρωμένη άποψη για το πως συμπεριφέρονται οι κοινότητες σε πιθανές διαταραχές που μπορεί να οφείλονται στη κλιματική αλλαγή, στην απώλεια των ενδιαιτημάτων ή ακόμα και στην εμφάνιση χωροκατακτητικών ειδών. Αρχικά, διερευνήσαμε την αμφίδρομη σχέση μεταξύ της μεικτής πρωτογενούς παραγωγικότητας, της δομής των δικτύων επικονίασης και του πλούτου των ειδών. Η σχέση μεταξύ της βιοποικιλότητας και των οικοσυστημικών λειτουργιών μιας κοινότητας παραμένει ένα φλέγον θέμα συζήτησης μέχρι και σήμερα. Ωστόσο, παραμένει ασαφές εάν η βιοποικιλότητα οδηγεί την παραγωγικότητα ή η παραγωγικότητα διαμορφώνει τη βιοποικιλότητα ή η σχέση τους είναι αμφίδρομη. Οι μελέτες της βιοποικιλότητας και των οικοσυστημικών λειτουργιών μιας κοινότητας έχουν ασχοληθεί σχεδόν αποκλειστικά με τη σχέση που αναπτύσσεται μεταξύ του πλούτου των ειδών και της λειτουργίας του οικοσυστήματος ενώ ο ρόλος των βιοτικών αλληλεπιδράσεων, έναν παράγοντα κλειδί για τη διαμόρφωση και τη λειτουργία των οικοσυστημάτων παραμένει ακόμα ένα ανοιχτό ερευνητικό ερώτημα. Η έρευνα μας επιβεβαιώνει την αμφίδρομη σχέση μεταξύ της βιοποικιλότητας και της παραγωγικότητας και τονίζει την αμφίδρομη σχέση που αναπτύχθηκε μεταξύ της παραγωγικότητας και της δομής των δικτύων επικονίασης που μελετήθηκαν. Ωστόσο, η ερμηνεία, η κατανόηση και ο εντοπισμός των παραγόντων που διαμορφώνουν τις παραπάνω σχέσεις δεν ήταν ένα εύκολο εγχείρημα. Παρατηρήσαμε, ότι η μέση παραγωγικότητα διαμορφώνει την ποικιλότητα (ειδικά των ειδών επικονιαστών) με την αντίθετη σχέση να είναι ισχυρότερη. Αντίστοιχα, η δομή των δικτύων επικονίασης διαδραματίζει μικρό ρόλο ως προς τη διαμόρφωση της μέσης μεικτής παραγωγικότητας, με τα λιγότερο παραγωγικά δίκτυα να εμφανίζουν υψηλά επίπεδα εξειδίκευσης. Τέλος, η εγκιβωτισμένη δομή των κοινοτήτων συσχετίζεται σημαντικά με τις μικρότερες τιμές της μεταβλητότητας της μεικτής πρωτογενούς παραγωγικότητας μεταξύ των ετών. Η κλίμακα που χρησιμοποιείται σε μία μελέτη δύναται να διαμορφώσει τα συμπεράσματά μας για την οργάνωση των κοινοτήτων, τον πλούτο και την κατανομή των ειδών αλλά δύναται να επηρεάσει και τα αποτελέσματά της οδηγώντας σε λανθασμένα συμπεράσματα για τη δομή των δικτύων αλληλεπίδρασης. Κατά συνέπεια, προκειμένου να αξιολογήσουμε τον τρόπο με τον οποίο οργανώνονται οι κοινότητες απαραίτητη προϋπόθεση αποτελεί το να κατανοήσουμε την επίδραση που ασκεί η κλίμακα στα χαρακτηριστικά της δομής των δικτύων. Οι περισσότερες μελέτες έχουν ασχοληθεί με τη χρονική διάσταση της δυναμικής των ειδών και των αλληλεπιδράσεων τους και με το πως η χρονική κλίμακα επηρεάζει τη δομή των δικτύων αλληλεπίδρασης. Έτσι στη παρούσα διατριβή επικεντρωθήκαμε στη χωρική διάσταση της παραπάνω σχέσης. Στη δικτυακή ανάλυση η συνένωση των δικτύων αλληλεπίδρασης αποτελεί την ίσως πιο διαδεδομένη μεθοδολογία προκειμένου να εξεταστεί η επίδραση της κλίμακας. Αρχικά λοιπόν εξετάσαμε το αν η γεωγραφική απόσταση των δικτύων που συνενώνονται μπορεί να επηρεάσει τα συμπεράσματά μας για τα χαρακτηριστικά της δομής των κοινοτήτων. Η ιδέα αυτή προέκυψε από το γεγονός ότι όσο πιο χωρικά απομακρυσμένες είναι δύο θέσεις δειγματοληψίας τόσο περισσότερο μειώνονται οι ομοιότητες τους ως προς τη σύνθεση των ειδών και τις περιβαλλοντικές τους συνθήκες δύο παράγοντες που δύναται να διαμορφώσουν την ίδρυση ή μη μιας αλληλεπίδρασης. Τα αποτελέσματά μας έδειξαν ότι όσο πιο απομακρυσμένες είναι δύο θέσεις δειγματοληψίας τόσο περισσότερο διαφέρουν ως προς τη σύνθεση των ειδών και των αλληλεπιδράσεων τους γεγονός που διαμορφώνει τα χαμηλότερα επίπεδα εγκιβωτισμού και τα υψηλότερα επίπεδα διαμερισματοποίησης κατά τη συνένωση των πιο απομακρυσμένων δικτύων. Πολλές φορές όμως στη δικτυακή ανάλυση καλούμαστε να κατασκευάσουμε και να μελετήσουμε δίκτυα που πηγάζουν από πολλές διαφορετικές θέσεις δειγματοληψίας. Αυτό αυξάνει τις πιθανότητες σχηματισμού νέων αλληλεπιδράσεων μεταξύ εταίρων που κάτω από άλλες συνθήκες ίσως να μην είχαν συναντηθεί ποτέ στο χώρο ή στο χρόνο. Υπό αυτό το πρίσμα το να κατανοήσουμε την επίδραση της κλίμακας δειγματοληψίας στα χαρακτηριστικά της δομής τους κρίνεται αναγκαία προκειμένου να είμαστε σε θέση να αξιολογήσουμε καλύτερα τη συμπεριφορά των κοινοτήτων σε επικείμενες περιβαλλοντικές αλλαγές. Η ανάλυσή μας έδειξε ότι η αύξηση της κλίμακας δε συσχετίζεται σημαντικά με τον εγκιβωτισμό και τη δομοστοιχειακότητά των δικτύων επικονίασης αλλά οδηγεί σε υψηλότερα επίπεδα γενικοτροπίας.