Adaptations to a variable environment - feeding ecology, survival and physiology of southern rockhopper penguins

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2013
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Dehnhard, Nina
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Dissertation
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Zusammenfassung

Long-lived species exhibit a slow adaptation through natural selection and should rather adapt to rapid environmental changes through phenotypic plasticity, e.g. by showing behavioural changes. The degree to which species can adapt by phenotypic plasticity appears particularly critical for survival of a species in times of global climate change and other anthropogenic threats.
In the framework of my PhD, I studied the reactions of southern rockhopper penguins (Eudyptes chrysocome) in response to environmental variability in terms of physiology, foraging behaviour and survival. Southern rockhopper penguins should be limited in their phenotypic plasticity compared to other species, as they are less mobile than flying seabirds and as they are feeding on low trophic level prey. These characteristics should make them more susceptible to changes in the food web. Populations of southern rockhopper penguins worldwide have declined dramatically in recent decades, and reasons for these declines remain unclear yet might be related to on-going climate changes. The southern rockhopper penguins' Subantarctic marine habitat is particularly affected by global climate change through an increase in sea surface temperatures (SST), and will likely experience changes in the wind regime, as the southern ocean west wind drift shifts polewards. How will southern rockhopper penguins react to such changes in their environment, which go beyond current environmental variability, in the future? To answer this question, I first studied the species' adaptations to its current environment, before focussing on the birds' reactions in foraging behaviour and survival to occuring environmental variability. Given that southern rockhopper penguins should be limited in their phenotypic plasticity, I expected them to show strong adaptations to their current environment and hypothesized that enhanced environmental variability negatively affects foraging behaviour and survival.

My results indicate that southern rockhopper penguins are physiologically well adapted to colonial breeding as adults and juveniles show generally a strong immune status. This is particularly true as long as they are in a good body conditon. Furthermore, foraging trips during the incubation period allowed for rapid replenishment of body reserves, particularly in males, underlining the strong adaptations of this species to fasting and refeeding. I further found extraordinarily high annual survival rates in adults and juveniles under moderately cold to intermediate SST, which can be seen as an adaptation to stable, pre-warming environmental conditions. Outside a certain temperature range, however, adult survival rates decreased, which indicates a quadratic relationship between SST and adult survival. Furthermore, stable isotope data suggested a similar quadratic relationship between SST and the trophic level of prey taken by southern rockhopper penguins. These corroborating results indicate that southern rockhopper penguins show a narrow temperature optimum as part of their ecological niche.
As a further result, foraging success depended heavily on wind direction and wind speed, with southerly to westerly (currently dominating) wind conditions enhancing foraging success.

In summary, southern rockhopper penguins appear to be not well adapted to strong environmental variability and sensitive to global climate change. Considering global climate change scenarios and the results presented in this PhD thesis, one can expect that the predicted increase of SST and the southward shift of the west-wind drift will negatively affect foraging success and survival of southern rockhopper penguins, thus leading to further population declines. As global climate change is predicted to happen at an unprecedented pace, it makes susceptible species such as southern rockhopper penguins vulnerable to extinction.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Langlebige Arten zeigen für gewöhnlich eine langsame Anpassung durch natürliche Selektion. An rapide Umweltveränderungen passen sie sich daher eher durch phänotypische Plastizität an, z. B. durch Verhaltensänderungen. In Zeiten des globalen Klimawandels und anderer anthropogener Einflüsse erscheint das Maß der Anpassungsfähigkeit durch phänotypische Plastizität besonders wichtig und kritisch für das weitere Überleben einer Art.
Im Rahmen meiner Doktorarbeit habe ich die Auswirkungen von Umweltvariabilität auf Physiologie, Verhalten beim Nahrungserwerb und Überlebensraten von südlichen Felsenpinguinen (Eudyptes chrysocome) untersucht. Im Vergleich zu anderen Arten kann man davon ausgehen, dass südliche Felsenpinguine in ihrer phänotypischen Plastizität eingeschränkt sind, da sie weniger mobil sind als flugfähige Seevögel und ihre Beutetiere einer niedrigen trophischen Stufe angehören. Aufgrund dieser Charakteristika sollten südliche Felsenpinguine auf Veränderungen in ihrem Nahrungsnetz anfällig reagieren. Die Bestände der südlichen Felsenpinguine haben in den vergangenen Jahrzehnten dramatisch abgenommen. Obwohl die Gründe hierfür noch unklar sind, scheint es einen Zusammenhang mit gegenwärtigen Klimaveränderungen zu geben. Der subantarktische Meereslebensraum der südlichen Felsenpinguinen ist vom Klimawandel insbesondere durch eine Erwärmung der Meeresoberflächentemperaturen betroffen. Zudem werden Veränderungen des vorherrschenden Windsystems erwartet, da Klimaszenarien davon ausgehen, dass sich die Westwindzone über dem südlichen Ozean weiter polwärts verlagern wird. Aber wie werden südliche Felsenpinguine in Zukunft auf diese Veränderungen ihrer Umwelt außerhalb des Rahmens der derzeitigen Umweltvariabiltät reagieren? Um diese Frage zu beantworten, habe ich zunächst die Anpassungen der Art an ihre derzeitige Umwelt untersucht, und mich in einem zweiten Schritt damit beschäftigt, wie sich heutige Umweltvariabilität auf Nahrungserwerb und Überlebensraten auswirkt. Da südliche Felsenpinguine in ihrer phänotypsichen Plastizität eingeschränkt sein sollten, habe ich erwartet, dass die Art starke Anpassungen an ihre derzeigie Umwelt zeigt. Des Weiteren habe ich angenommen, dass sich erhöhte Umweltvariabiltät negativ auf Nahrungserwerb und Überlebensraten auswirken würden.

Meine Ergebnisse deuten darauf hin, dass südliche Felsenpinguine physiologisch gut an das koloniale Brüten angepasst sind. Sowohl adulte Pinguine wie auch die Küken weisen generell einen guten Immunstatus auf, vor allem wenn sie in guter Körperkondition sind. Des Weiteren konnten vor allem die Männchen während ihrer Nahrungssuche im Laufe der Inkubationszeit ihre Körperreserven schnell wieder auffüllen, was die ausgeprägte Anpassung der Art an Fasten und anschließende Gewichtszunahme widerspiegelt. Ein weiteres Ergebnis meiner Doktorarbeit waren die extrem hohen jährlichen Überlebensraten von Adulten und Jungtieren bei kalten bis mittleren Meeresoberflächentemperaturen, die als Anpassung an stabile Umweltbedingungen vor Beginn der Klimaerwärmung gesehen werden können. Jenseits eines bestimmten Temperaturbereichs nahmen die Überlebensraten von adulten Pinguinen jedoch ab, was auf einen quadratischen Zusammenhang zwischen Meeresoberflächenwassertermperaturen und Überlebensraten hinweist. Auf einen ähnlichen quadratischen Zusammenhang zwischen Meeresoberflächentemperaturen und der trophischen Stufe der von den Pinguinen gefressenen Beutetiere weisen die Daten von stabilen Isotopen hin. Diese Ergebnisse verstärken die Hinweise, dass die ökologische Nische der südlichen Felsenpinguine ein enges Temperaturoptimum aufweist.
Ein weiteres Ergebnis meiner Arbeit war, dass der Erfolg der Nahrungssuche stark von Windrichtung und -geschwindigkeit abhing, wobei Winde aus südlichen bis westlichen Richtungen (derzeit dominierend) zu höherem Erfolg bei der Nahrungssuche führten.

Zusammenfassend scheinen südliche Felsenpinguine nicht gut an starke Umweltvariabilität angepasst zu sein, und sie scheinen empfindlich auf den globalen Klimawandel zu reagieren. Unter Betrachtung der Szenarien zum globalen Klimawandel und der Ergebnisse dieser Doktorarbeit muss man davon ausgehen, dass sich sowohl der vorhergesagte Anstieg der Meeresoberflächenwassertemperaturen als auch die Verschiebung der Westwinddrift negativ auf Nahrungserwerb und Überlebensraten von südlichen Felsenpinguinen auswirken werden und es zu weiteren Bestandsabnahmen kommen wird. Da der globale Klimawandel mit bisher noch nie dagewesener Geschwindigkeit voranschreitet, sind insbesondere empfindliche Arten wie die südlichen Felsenpinguine vom Aussterben bedroht.

Fachgebiet (DDC)
570 Biowissenschaften, Biologie
Schlagwörter
southern rockhopper penguin, environmental variation, climate change, foraging success, survival, stable isotope, stress, GPS logger
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690DEHNHARD, Nina, 2013. Adaptations to a variable environment - feeding ecology, survival and physiology of southern rockhopper penguins [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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January 10, 2013
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