Investigating climate change impacts on marine biodiversity integrating characteristics of lifecycle, biology and behaviour of species

Abstract

The impact of climate change on marine organisms is a highly complex issue. In this thesis, I attempted to contribute to the current scientific discourse regarding the influence of climate change on marine biodiversity, aiming to enhance predictions and assessments made for various organisms by considering their ecological and behavioural characteristics, life cycle and habitats they use. Initially, potential changes on the suitability of marine habitats for sea turtles due to increased sea surface temperatures were identified for various lifecycle stages. Results from climate suitability model indicated geographical and topographical variations, with a future potential expansion of suitable areas in the western Mediterranean for adults, while the extent of suitable areas for immature individuals remained relatively stable. As sea turtles use the whole water column, thermally suitable areas were identified across different bathymetric layers, including near-surface, deeper and water-column three-dimensional habitats. Predictions for each life stage and depth range varied, with a mixed pattern of changes for juveniles and a more consistent pattern for adults, highlighting the necessity of incorporating the three-dimensional nature of marine species habitats. Subsequently, the scope of the study was expanded from a single species to a broader group of Mediterranean species, attempting a risk assessment in face of climate change for threatened marine fauna based on the IUCN Red List. By combining data on species vulnerability and exposure to climate change, the analysis identified a significant number of marine species at high risk, from various taxonomic groups, as well as areas with increased presence of species at high climate risk throughout the Mediterranean Sea. Finally, using fundamental species functional traits related to life history, growth, and reproduction, potential changes in the functional composition of ichthyofauna of the shallow waters of the Northeastern Mediterranean were investigated. Future conditions were likely to favour a shift in the functional composition towards species with smaller body sizes, shorter lifespans and earlier ages at maturity. In conclusion, integrating our knowledge on the ecological requirements, habitats, physiology, behaviour and life cycle of marine species can yield new insights informed by the biology of marine species. These findings can further improve our predictions of species' future distributions, risk assessments for broader species groups and future functional patterns in response to climate change.

Η επίδραση της κλιματικής αλλαγής στους θαλάσσιους οργανισμούς αποτελεί ένα ζήτημα πολύπλοκο. Στην παρούσα διατριβή επιχείρησα να συμβάλλω στην τρέχουσα επιστημονική συζήτηση σχετικά με την επίδραση της κλιματικής αλλαγής στη θαλάσσια βιοποικιλότητα, σε μία προσπάθεια να βελτιώσω τις προβλέψεις και τις αξιολογήσεις που πραγματοποιούνται για τους διάφορους οργανισμούς, λαμβάνοντας υπόψιν οικολογικά και συμπεριφορικά χαρακτηριστικά των ειδών, τον κύκλο ζωής καθώς και τα ενδιαιτήματα τους. Αρχικά προσδιορίστηκαν οι πιθανές επιπτώσεις στην καταλληλότητα των θαλάσσιων ενδιαιτημάτων των θαλάσσιων χελωνών λόγω της αύξησης της θερμοκρασίας της επιφάνειας της θάλασσας, για διάφορα στάδια του κύκλου ζωής τους. Τα αποτελέσματα των μοντέλων κλιματικής καταλληλότητας έδειξαν ότι οι προβλέψεις διέφεραν γεωγραφικά και τοπογραφικά, με αύξηση της έκτασης τους και νέες κατάλληλες περιοχές να προβλέπονται στη δυτική Μεσόγειο στο μέλλον για τα ενήλικα άτομα, ενώ η έκταση των κατάλληλων περιοχών των ανώριμων ατόμων παρέμεινε σχετικά σταθερή. Καθώς οι θαλάσσιες χελώνες αποτελούν είδη με υψηλή κινητικότητα σε όλη τη στήλη του νερού, στη συνέχεια, προσδιορίστηκαν περιοχές κλιματικής καταλληλότητας σε διαφορετικά βάθη, όπως περιοχές κοντά στην επιφάνεια της θάλασσας, βαθύτερες περιοχές και περιοχές σε όλη τη στήλη του νερού. Οι προβλέψεις για την κατανομή των ενδιαιτημάτων διέφερε για κάθε στάδιο του κύκλου ζωής, αλλά και για τα διαφορετικά βαθυμετρικά εύρη, με ένα μεικτό πρότυπο αλλαγών για τα ανώριμα άτομα και ένα πιο συνεπές πρότυπο για τα τρισδιάστατα ενδιαιτήματα των ενηλίκων, αναδεικνύοντας ως αναγκαία την ενσωμάτωση του τρισδιάστατου χαρακτήρα των ενδιαιτημάτων των θαλάσσιων ειδών. Κατόπιν, διευρύνθηκε το εύρος της μελέτης από ένα μεμονωμένο είδος σε μία ευρύτερη ομάδα ειδών της Μεσογείου, επιχειρώντας μία αξιολόγηση του κινδύνου μπροστά στην κλιματική αλλαγή των απειλούμενων θαλάσσιων ζώων της Μεσογείου με βάση την Κόκκινη Λίστα της IUCN. Συνδυάζοντας δεδομένα για την τρωτότητα και την έκθεση των ειδών στην κλιματική αλλαγή, η ανάλυση προσδιόρισε ένα σημαντικό αριθμό θαλάσσιων ειδών με υψηλό κίνδυνο κινδύνου, με αντιπροσώπους σε ποικίλες ταξινομικές ομάδες, όπως και περιοχές με αυξημένη παρουσία ειδών με υψηλό κλιματικό κίνδυνο σε όλη τη Μεσόγειο. Τέλος, χρησιμοποιώντας βασικά λειτουργικά χαρακτηριστικά των ειδών σχετικά με την ιστορία ζωής, την αύξηση και την αναπαραγωγή, διερευνήθηκαν οι πιθανές αλλαγές στη λειτουργική σύνθεση της ιχθυοπανίδας των ρηχών υφάλων της βορειοανατολικής Μεσογείου. Προβλέπεται ότι οι μελλοντικές συνθήκες είναι πιθανόν να ευνοήσουν μία μετατόπιση της λειτουργικής σύνθεσης προς είδη με μικρότερο σωματικό μέγεθος, μικρότερη διάρκεια ζωής και μικρότερη ηλικία ωρίμανσης. Συμπερασματικά, η ενσωμάτωση της γνώσης σχετικά με τις οικολογικές απαιτήσεις, τα ενδιαιτήματα, τη φυσιολογία, τη συμπεριφορά και τον κύκλο ζωής των θαλάσσιων ειδών μπορεί να παράγει νέα αποτελέσματα, ενημερωμένα ως προς τη διάσταση της βιολογίας των θαλάσσιων ειδών. Τα ευρήματα αυτά μπορούν να βελτιώσουν ακόμη περισσότερο τις προβλέψεις μας για τις μελλοντικές κατανομές των ειδών, τις αξιολογήσεις κινδύνου για τις ομάδες ειδών και για τα μελλοντικά λειτουργικά πρότυπα μπροστά στην κλιματική αλλαγή.