Research

Biogeographic evolution and community ecology of Madagascar’s ecosystems

EMadagascar’s is the Earth’s fourth largest island and can be as an intermediate between a continent and an island, hence its common label of ‘the island continent’. This has played a major evolutionary role – Madagascar is large enough to have a number of very distinct biomes, allowing colonizing species to radiate into distinct species in different environments. It is the combination of high levels of endemism, phylogenetic distinctness and the large number of species at high risk of extinction that makes Madagascar one of the most important sites for biodiversity conservation worldwide. Within a network of collaborating institutions, we reconstruct the evolution of mammal communities by analysing patterns of species occurrence and their phylogenetic relationships. Studies in extant community processes focus on interactions between species and their environment. For this we use pseudo-experimental setups, such as generated by climate change and human impacts to understand the constraints acting upon different species. Funding: DAAD, Deutsche Forschungsgemeinschaft, Landesforschungsförderung Hamburg.

Mechanisms of speciation and species separation und Climate change and human impact on species diversity

          

      

         

Integration of biodiversity conservation and economic development in Madagascar and Germany

Integration of social and natural science activities seems to be the key to improve the efficiency of conservation and development. While there is no recipe for success, in systems where humans depend largely on subsistence activities, economic benefits from conservation must outweigh the benefits from increasing the economic activities. In addition, the increasing encroachment of humans into native habitats bears risks for infections with new pathogens of wildlife and humans alike. For studying the interactions between wildlife conservation, health and human economics, we use examples from agricultural activities, forestry and international mining to understand possible ways for integrating nature conservation and economic development. Funding: Bundesministerium für Bildung und Forschung, DAAD, Evangelisches Studienwerk, Heidelberg Cement.

Capacity Building

Numerous national scientists from Madagascar with robust modern education and field experience have and are obtaining important posts in the non-governmental and governmental sectors of their country. These individuals are making a measurable difference in the advancement of science, specifically conservation actions for their island nation, to ameliorate its current biotic crisis. Given the combination of uniqueness and threat to the biodiversity of Madagascar, this process of improvement and reinforcement through capacity building needs to receive continued support from foreign collaborators and institutions. This is paramount for the future of the unique fauna and flora of Madagascar, which has no other parallel to any other tropical area of its size and forms a significant portion of the world’s natural patrimony. We are devoted to this style of development for Malagasy biologists, ranging from university academics to local collaborators involved in community based monitoring and management. Funding: DAAD, VW Foundation, Bundesministerium für Bildung und Forschung, Margot Marsh Biodiversity Foundation, Primate Action Fund.

Wo? Wann? Warum? – Wie verteilen sich Arten in Raum und Zeit, und wie kommt es zu diesen Verteilungen?

Ziel unserer Projekte ist es die Verteilung, Abundanz, und Interaktionen zwischen ko-existierenden Populationen zu untersuchen. Wir untersuchen Muster von Gemeinschaften wie Artenreichtum und -zusammensetzung, und Struktur des Nahrungsnetzes, und analysieren die Prozesse, die zu diesen Mustern führen, wie Räuber-Beute Dynamiken und Regeln zur Zusammensetzung von Gemeinschaften („assembly rules“). Diese Muster und Prozesse werden entlang von ökologischen Gradienten (z. B. Trockenheit, Vegetationsstruktur) und anthropogenen Gradienten (z. B. Fragmentierung, Landnutzung), und in einem zeitlichen und räumlichen Zusammenhang untersucht. Unsere Ergebnisse ermöglichen Auswirkungen von Veränderung des Lebensraums, inkl. des Klimawandels, auf Gemeinschaften vorherzusagen und tragen so zu deren langfristigen Erhaltung bei. Regionale Schwerpunkte sind Madagaskar und Deutschland, taxonomische Schwerpunkte sind Amphibien.

Projekte

Gruppen jedoch können jedoch weit über eine Veränderung von Eigenschaften der Gemeinschaften selbst (z. B. Gemeinschaftsstruktur) hinausgehen und die Eigenschaften des ganzen Ökosystems beeinflussen. Eine fragmentierte Landschaft stellt somit ein sehr gut geeignetes System dar, um allgemein Gemeinschaft-Ökosystem Beziehungen zu untersuchen. Trophische Interaktionen und die trophische Struktur von Tiergemeinschaften spielen eine wichtige Rolle in vielen dieser Prozesse, und ihre Untersuchung kann einen direkten Einblick in Ökosystemfunktionen geben.
Unser Projekt untersucht inwieweit die Muster der Amphibiendiversität in einer fragmentierten Landschaft und lokale Aussterbeereignisse von funktionellen Komponenten von Diversität, von der Struktur der Nahrungsnetze, von morphologischen Merkmalen und von phylogenetischer Distanz beeinflusst werden. Weiterhin ist es ein Ziel herauszuarbeiten inwieweit die Zusammensetzung und Struktur der Matrix (d.h. den nicht bewaldeten Flächen zwischen den Fragmenten) entscheidend für die Beschaffenheit von Gemeinschaften und von Nahrungsnetzen ist. Hierzu werden verschiedene Hypothesen getestet, die sich auf die Veränderung von Diversität auf der Ebene von Arten, Funktionen, Gemeinschaften und Ökosystemen beziehen.
Das untersuchte System sind Froschgemeinschaften in den Bergregenwäldern der Ranomafana Gegend im Südosten Madagaskars. Diese Gegend ist einzigartig in ihrer Amphibiendiversität. Die Ziele dieser Arbeit werden zum einen mit etablierten Freilandmethoden und zum anderen mit modernen Laboranalysen untersucht. Die Struktur von Nahrungsnetzen wird anhand der Analyse von stabilen Isotopen bestimmt.

Evolution of morphology and ecology in hyperdiverse larval amphibian communities in Madagascar
(Projektleiter: Prof. M. Vences, TU Braunschweig)

Anuran (frog) communities in the tropics often reach remarkable levels of species diversity, with up to 50-100 species occurring at one site. In this study we systematically address the factors allowing these high numbers of species to co-exist. Considering that related species of frogs in their adult phase do not tend to occupy radically different niches in morphology or nutrition, niche partitioning in the larval phase may be a key factor shaping these species-rich communities.
Our project studies hyperdiverse tropical tadpole communities, by combining a number of innovative techniques and using a highly suitable model region. The study is carried out in Madagascar. Tadpoles are identified to species by DNA barcoding. A variety of autecological and synecological parameters are screened. Trophic levels are comparatively assessed using stable isotopes. The obtained ecomorphological characters are plotted along the molecular phylogeny of Madagascan frogs.

Effekte von anthropogener Waldnutzung auf Reptiliengemeinschaften in Madagaskar
(in Kooperation mit Durrell Wildlife Conservation Trust, Madagaskar)

Amphibiengemeinschaften in den Elbauen (in Kooperation mit dem Biosphärenreservat Flusslandschaft Elbe)

Im Naturschutzgroßprojekt Lenzener Elbtalaue wird über ein Rückdeichungprojekt eine Renaturierung des extrem diversen, aber auch besonders gefährdeten Lebensraumes Flussaue zum möglichst ursprünglichen Zustand angestrebt. In Zusammenarbeit mit diesem Projekt bietet sich die außergewöhnliche Möglichkeit die Effekte und Auswirkungen der Renaturierungsmaßnahme auf einheimische Amphibiengemeinschaften im Vorfeld sowie von Beginn der Maßnahmen an strukturiert und vollständig wissenschaftlich zu untersuchen und somit fundierte Empfehlungen für vergleichbare Projekte bieten zu können. Auf zwei Ebenen (Gemeinschaftsökologie und Nahrungsökologie) ermitteln wir in diesem Projekt den Erfolg der Renaturierung und etablieren die Eignung der Amphibien als Indikator für diesen Erfolg. Dabei untersuchen wir die Effekte und Auswirkungen der Maßnahmen auf die gesamten Amphibiengemeinschaften direkt im Feld. Es werden hierzu die Häufigkeit der Arten und die Diversität der Gemeinschaften im Laufe der Renaturierungsmaßnahme mit verschiedenen Methoden verfolgt. Zudem werden Habitatnutzungsmodelle mit den im Freiland ermittelten Daten erstellt, in denen die entscheidenden Faktoren für die Nutzung von Laichgewässern durch die verschiedenen Amphibienarten herausgearbeitet werden, um somit die tatsächliche Eignung der neu geschaffenen Amphibienhabitate als Lebensraum zu bewerten. Zudem planen wir in einer Kombination aus Feld- und Laborstudie die Nahrungsökologie von larvalen Amphibien zu untersuchen, Unterschiede zwischen Arten herauszuarbeiten, und somit Rückschlüsse über die Rolle von Konkurrenz als Gemeinschaft-strukturierender Faktor zu ziehen.

Kaulquappengemeinschaften im Trockenwald Madagaskars
(in Kooperation mit Prof. K.E. Linsenmair, Universität Würzburg)

Die Amphibienfauna Madagaskars ist einzigartig, und sie stellt ein aufregendes Feld für ökologische Fragestellungen dar, sowohl als eigenständiges System betrachtet als auch als Modell für andere Systeme. Dieses Projekt schafft zunächst mit der taxonomischen Beschreibung der vorkommenden Arten die Basis für ökologische Fragestellungen und zeigt dann auf den Ebenen sowohl der Gemeinschaft als auch einzelner Arten, wie verschiedene Umweltfaktoren die Verteilung von Anuren in Raum und Zeit beeinflussen. Es zeigt sich, dass sowohl statische Eigenschaften der Gewässer als auch dynamische Faktoren wie Raubfeinde oder das Vorhandensein anderer Kaulquappen die Verteilung der Arten auf verschiedenen räumlichen Skalenebenen sowie deren Verhalten beeinflussen. Dies hilft die grundlegenden Mechanismen zu verstehen, die die Zusammensetzung der Lebensgemeinschaften in diesem Ökosystem bestimmen.

Biodiversity loss and fragmentation - matrix effects and ecosystem consequences using a hyperdiverse Malagasy amphibian assemblage as an example
(in Kooperation mit PD Dr. M.-O. Rödel, Naturkundemuseum Berlin)

Fragmentierung ist ein Prozess, der zum Verlust von Diversität, d.h. zu artenverarmten Gemeinschaften führen kann. Die Effekte des Verlustes von Arten oder funktionellen Gruppen jedoch können jedoch weit über eine Veränderung von Eigenschaften der Gemeinschaften selbst (z. B. Gemeinschaftsstruktur) hinausgehen und die Eigenschaften des ganzen Ökosystems beeinflussen. Eine fragmentierte Landschaft stellt somit ein sehr gut geeignetes System dar, um allgemein Gemeinschaft-Ökosystem Beziehungen zu untersuchen. Trophische Interaktionen und die trophische Struktur von Tiergemeinschaften spielen eine wichtige Rolle in vielen dieser Prozesse, und ihre Untersuchung kann einen direkten Einblick in Ökosystemfunktionen geben.
Unser Projekt untersucht inwieweit die Muster der Amphibiendiversität in einer fragmentierten Landschaft und lokale Aussterbeereignisse von funktionellen Komponenten von Diversität, von der Struktur der Nahrungsnetze, von morphologischen Merkmalen und von phylogenetischer Distanz beeinflusst werden. Weiterhin ist es ein Ziel herauszuarbeiten inwieweit die Zusammensetzung und Struktur der Matrix (d.h. den nicht bewaldeten Flächen zwischen den Fragmenten) entscheidend für die Beschaffenheit von Gemeinschaften und von Nahrungsnetzen ist. Hierzu werden verschiedene Hypothesen getestet, die sich auf die Veränderung von Diversität auf der Ebene von Arten, Funktionen, Gemeinschaften und Ökosystemen beziehen.
Das untersuchte System sind Froschgemeinschaften in den Bergregenwäldern der Ranomafana Gegend im Südosten Madagaskars. Diese Gegend ist einzigartig in ihrer Amphibiendiversität. Die Ziele dieser Arbeit werden zum einen mit etablierten Freilandmethoden und zum anderen mit modernen Laboranalysen untersucht. Die Struktur von Nahrungsnetzen wird anhand der Analyse von stabilen Isotopen bestimmt.

Der Schwerpunkt der chemischen Ökologie oder ökologischen Biochemie liegt in der Erforschung der chemischen Zusammenhänge zwischen Tieren und ihrer Umwelt. Im Focus stehen hierbei hauptsächlich die chemischen Eigenschaften von Nahrungspflanzen und ihre Bedeutung für Konsumenten, für die Wechselbeziehung zwischen Pflanze und Konsumenten (Tier-Pflanze-Interaktion) und für die Erforschung daraus resultierender Konsequenzen über verschiedene trophische Ebenen bis hin zur ökosystemaren Ebene. Des Weiteren werden verschiedene Analyseverfahren zur Erfassung unterschiedlicher ökologischer Parameter (z.B. Kompostierung, Fraßschäden) auf ihre Anwendbarkeit im Freiland überprüft (z.B. die Verwendung von Biomarkern und Nahinfrarotspektrometrie).

Die zentrale Frage des Arbeitsgebietes Nahrungökologie ist:
"Wer frißt wen und warum?"

In unserer Arbeitsgruppe versuchen wir dies für unterschiedliche Tierarten auf unterschiedlichen trophischen Ebenen in verschiedenen geographischen Räumen zu beantworten. Das Wissen über die Nahrungswahl der Tiere ist ein zentrales Element zum Verständnis der Dynamik wildlebender Tierpopulationen, ihrer inter- und intraspezifischen Konkurrenz und ihrer Einnischung im System. Die Nahrungswahl einer Tierart kann verschiedene Konsequenzen über mehrere trophische Ebenen hinweg nach sich ziehen. Die Erforschung der Nahrungswahl von Tieren stellt somit die Basis zum Verständnis von Ökosystemprozessen dar.

Kurzbeschreibung verschiedener Projekte:

Nahrungsökologie und Pflanze-Tier-Interaktion:

	A. Elch und Weide (Caroline Stolter, Kooperationspartner: Helen Aronsson-Quested, John P. Ball, Jörg U. Ganzhorn, Riitta Julkunen-Tiitto) Das Projekt beschäftigt sich mit den Wechselwirkungen zwischen dem Elch (Alces alces) und einer seiner Hauptnahrungspflanzen (Salix phylicifolia). Neben der direkten Interaktion zwischen dem Herbivor und der Pflanze unter besonderer Berücksichtigung pflanzlicher Abwehrstoffe (Phenole), werden weiterführende Fragestellungen untersucht. Beispielsweise werden die Auswirkungen der Interaktion auf die Reproduktion der Weide, auf die Kompostierung der Blätter und die Auswirkungen auf andere assoziierte Lebensgemeinschaften erforscht. (Stolter et al. 2005, Stolter 2008)
	B. Koniferen-Projekte (Caroline Stolter) In diesen Projekten stehen Untersuchungen zur chemischen Zusammensetzung verschiedener Koniferenarten im Vordergrund. Koniferen werden von Herbivoren (z.B. Elchen, Schneehasen, Reh, Hirsch und Rötelmäusen) in unterschiedlichem Ausmaß genutzt, die Gründe hierfür werden in diesen Projekten erforscht. Außerdem wird der Einfluss von Standortfaktoren auf die chemische Zusammensetzung der Bäume und die Auswirkung auf Herbivoren untersucht. Pine Project (Kooperationspartner: John P. Ball, Riitta Julkunen-Tiitto, Pekka Niemelä) Stolter et al. 2009, Stolter et al. 2010
	C. Einfluss der chemischen Zusammensetzung und der Morphologie von Rosskastanienblättern auf Miniermotten (Caroline Stolter) Die Rosskastanie ist als „Stadtbaum“ von den Grünflachen und Straßen unserer Städte nicht wegzudenken. Jedoch wird diese Baumart seit wenigen Jahrzehnten von der Rosskastanien-Miniermotte (Cameraria ohridella) befallen, dies beeinträchtigt das Erscheinungsbild dieser stattlichen Baumart in negativer Weise. In mehreren Projekten werden/wurden zum einen der Befall und die möglichen Ursachen (chemische Zusammensetzung der Blätter), zum anderen aber auch Bekämpfungsmaßnahmen näher untersucht. Diplom-Projekte: Florian Knutzen (2010),Yannick Tiessen (2010), Julia Juchheim (in Arbeit).

Großherbivoren - Management-Tools:

	A. Monitoring freilebender Großherbivorer (Caroline Stolter) Großherbivoren nehmen durch ihr Fraßverhalten einen erheblichen Einfluss auf ein Ökosystem. In diesem Projekt sollen nicht-invasive Methoden getestet und genutzt werden, um das Fraßverhalten der Tiere zu bestimmen z.B. die Benutzung von Biomarkern HerbNIRS (Kooperationspartner: Robert Mayes) Untersuchungen zur Nahrungswahl von Großherbivoren (Rentier, Elch Schneehase) im polarem Bereich.
	B. Der Einsatz von Großherbivoren zur Offenhaltung von Landschaften (Caroline Stolter) Zur Offenhaltung von Landschaften zum Schutze von Kulturlandschaften und/oder zur Erhaltung einzigartiger Lebensräume werden oftmals Großherbivore (z.B. Schafe, Ziegen, Pferde, Wisente) eingesetzt, um das Nachwachen von Bäumen und Sträuchern zu verhindern. In verschiedenen Projekten wird der Einfluss von Herbivoren auf die Vegetation und die daraus entstehenden Konsequenzen erforscht. Optimierung von Pflegemaßnahmen im Rahmen naturschutzrelevanter Projekte in der Lüneburger Heide (Caroline Stolter) z.B. Untersuchungen zum natürlichen Verbiss zur Offenhaltung eines Verbundkorridors: Nahrungswahl von zwei Cerviden (Europäisches Reh und Westeuropäischer Rothirsch) in Abhängigkeit von Verfügbarkeit und Qualität der Nahrung;Benjamin Gillich, Bachelorarbeit)
	C. Zukunftsfähige Kulturlandschaft Dummersdorfer Ufer. Auswirkungen von Klimawandel und Beweidung auf Magerrasengesellschaften – Verknüpfung von Forschung und Umweltbildung (Oda Störmer, Caroline Stolter, Kooperationspartner: Museum für Natur und Umwelt Lübeck, Landschaftspflegeverein Dummersdorfer Ufer e.V.) Zur Offen- bzw. Erhaltung ökologisch wertvoller Kulturlandschaften wie dem Lübecker Naturschutzgebiet "Dummersdorfer Ufer" dient die Beweidung der Flächen als eine bewährte Pflegemaßnahme. Um die vielschichtigen Effekte und Wechselwirkungen von Beweidung und klimawandelbedingter Veränderungen in einem Ökosystem zu verstehen, sind im Rahmen dieser Forschungsarbeit wissenschaftliche Untersuchungen vorgesehen, welche auf Ökosystemebene experimentell die Auswirkungen nachstellen. Finanzierung: ZKFL, Possehl Stiftung Siehe auch:http://zkfl.uni-luebeck.de/kulturlandschaft.html