Avian range dynamics : traits, biotic interactions and niches in changing environments

Das geographische Verbreitungsgebiet von Arten ist ein fundamentales Struktur gebendes Merkmal der biologischen Welt. Warum Arten so verteilt sind, wie sie sind ist seit langem eine der zentralen Fragen in Ökologie, Biogeographie und Evolution. Gegenwärtig verändern sich, im Wesentlichen als unbeabsichtigtes Nebenprodukt menschlicher ökonomischen Aktivitäten und Populationsdynamik, die geographischen Verbreitungsgebiete von Arten mit entscheidender Bedeutung für Land- und Forstwirtschaft, als Krankheitsvektoren oder als Teil der biologischen Systeme, die Ökosystemfunktionen bereitstellen. Daher ist es dringend notwendig, dass wir unser Verständnis über die Dynamiken, aus denen die geographische Verbreitung von Arten erwachsen, verbessern. Mit dieser Doktorarbeit versuche ich, in drei Untersuchungen zur Dynamik der Verbreitungsgebiete von Singvögeln einen Beitrag zu unserem in Entwicklung begriffenen Verständnis der multiplen Faktoren die Artverbreitungsgebiete beeinflussen, zu leisten. 1) Zu einem mechanistischeren Verständnis von Artmerkmalen und Verbreitungsgebietsgrößen: Ein wichtiger, ungelöster Fragenkomplex in der Makroökologie ist, die immense interspezifische Variation in der Größe geographischer Verbreitungsgebiete zu verstehen. Während man davon ausgeht, dass Artmerkmale wie Fekundität und Körpergröße einen Effekt auf Verbreitungsgebietsgrößen haben, fehlt ein allgemeines Verständnis davon, wie Verbreitungsgebietsgrößen von mehreren Merkmalen gemeinsam beeinflusst werden. Hier beurteilen wir den Effekt von Lebensgeschichtsmerkmalen (Fekundität, Ausbreitungsfähigkeit), ökologischen Merkmalen (Habitatnische, Nahrungsnische, Zugverhalten, Flexibilität im Zugverhalten) und morphologischen Merkmalen (Körpergröße) auf die globale Verbreitungsgebietsgröße von 165 europäischen Singvögeln. Wir identifizieren Hypothesen zur Beziehung von Artmerkmalen und Verbreitungsgebietsgrößen aus der Literatur und verwenden die Methodik der Pfadanalyse, um sie zu testen. Die Größe der globalen geographischen Verbreitungsgebiete europäischer Singvögel wurde von Lebensgeschichtsmerkmalen (Fekundidtät und Ausbreitungsfähigkeit), ökologischen Merkmalen (Habitatnischenbreite, Nahrungsnischenposition und Zugverhalten) und von Körpergröße beeinflusst. Artmerkmale beeinflussten Verbreitungsgebietsgrößen auf direktem und indirektem Weg. Insbesondere der Einfluss von Körpergröße war komplex mit positiven und negativen Effekten über verschiedene Pfade. Die Größe von Verbreitungsgebieten ist sehr wahrscheinlich auch von anderen Faktoren als von Artmerkmalen abhängig. Wir zeigen, dass es notwendig ist, den direkten und indirekten Einfluss einer Vielzahl von Merkmalen zu entwirren, um die Mechanismen, die makroökologische Beziehungen generieren, aufzuklären. 2) Konkurrenz und Ausbreitungsfähigkeit interagieren bei der Bestimmung der geographischen Verbreitung von Vögeln: Es ist weiterhin eine Herausforderung für Ökologie und Evolutionsbiologie, die Faktoren zu verstehen , die die geographische Verbreitung von Arten beeinflussen. Wir untersuchen wie Konkurrenz, Ausbreitungsfähigkeit, das Alter eines Taxons und Habitatverschiebungen seit dem letzten glazialen Maximum das Ausmaß beeinflussen, in dem Arten der Vogelgattung Sylvia in allen Gegenden mit geeigneten Umweltbedingungen vorkommen (d.h. range filling). Wir haben range filling in der Vogelgattung Sylvia (Grasmücken) unter Verwendung von Boosted Regression Trees und Ridge-Regression quantifiziert. Mittels multipler Regression haben wir für die Effekte von intragenerischer Konkurrenz, Ausbreitungfähigkeit, Alter des Taxons und Habitatverschiebung seit dem letzten glazialen Maximum auf range filling getestet. Grasmücken mit hoher Ausbreitungsfähigkeit zeigten höheres range filling, aber nur wenn Konkurrenz in Gebieten mit weniger geeignetem Habitat innerhalb ihres potentiellen Verbreitungsgebietes niedrig war. Das Alter eines Taxon und Habitatverschiebung seit dem letzten glazialen Maximum hatten keinen konsistenten Effekt. Wir zeigen, dass die Verbreitungsgebiete von Grasmücken mit hoher Wahrscheinlichkeit durch den simultanen, interaktiven Effekt von Konkurrenz und Ausbreitungsfähigkeit geformt werden. Wenn biotische Interaktionen wie Konkurrenz generell die Fähigkeit von Arten beeinflussen auf der kontinentalen Skala neue Gebiete zu kolonisieren, wird es eine Herausforderung sein, den Effekt von Klimawandel auf Biodiversität vorherzusagen. 3) Nischenverfügbarkeit in Zeit und Raum: Vogelzug der Grasmücken: Im Kontext neuer Fortschritte in der ökologischen Nischenmodellierung sind sowohl die Umwelt als auch die ökologische Nische einer Art als statische Entitäten behandelt und quantifiziert worden. In der Realität sind aber die Umwelt und die Nischenanforderungen einer Art auf einer Vielzahl von Skalen dynamisch. Wir schlagen ein konzeptionelles System vor das berücksichtigt, wie die realisierte Nische und geographische Verbreitung von Arten durch die entkoppelte raumzeitliche Verfügbarkeit unterschiedlicher Umweltbedingungen und durch Veränderungen der Nischenanforderungen über die Lebenszeit eines Organismus geformt werden. Das Testen von aus dem konzeptionellen System abgeleiteten Vorhersagen am Beispiel des Vogelzugs der Grasmücken ergab neue Erkenntnisse: Das Verfolgen der Klimanische im geographischen Raum war höchstwahrscheinlich nicht die treibende Kraft für Migration in der Gattung und steht potentiell im Konflikt mit dem Verfolgen der Landnutzungsnische. Die Nischen der Grasmücken waren während der Brutsaison schmaler, was zeigt, dass Nischenanforderungen zeitlich dynamisch sein können. Wir legen nahe, dass die Berücksichtigung dynamischer Umwelten und Nischenanforderungen zu einer entscheidenden Verbessserung unseres Verständnisses der treibenden Faktoren hinter der Bewegung von Organismen im Raum und der Dynamik ihrer Nischen und Verbreitungsgebiete führt

Towards a more mechanistic understanding of traits and range sizes

ABSTRACT Aim An important, unresolved question in macroecology is to understand the immense inter-specific variation in geographic range sizes. While species traits such as fecundity or body size are thought to affect range sizes, a general understanding on how multiple traits jointly influence them is missing. Here, we test the influence of a multitude of species traits on global range sizes of European passerine birds in order to better understand possible mechanisms behind macroecological relationships. Location Global. Methods We evaluated the effect of life-history traits (fecundity, dispersal ability), ecological traits (habitat niche, diet niche, migratory behaviour, migratory flexibility) and a morphological trait (body size) on the global range sizes of 165 European passerines. We identified hypotheses from the literature relating traits to range size and used path analysis to test them. Results Fecundity, dispersal ability and habitat niche breadth had a direct positive effect on range size. Diet niche position had a direct negative effect on range size. Habitat niche breadth also had an indirect positive effect via higher fecundity. Migratory behaviour had an indirect positive effect via better dispersal ability. Body size had a strong positive direct effect which was reduced by negative indirect effects via several other traits. Main conclusions Geographic range sizes of European passerines were influenced by life-history traits (fecundity and dispersal ability), ecological traits (habitat niche breadth, diet niche position and migratory behaviour) and by body size. Traits influenced range size both directly and indirectly. Body size effects were particularly complex, with positive and negative effects acting over different pathways. We show that it is necessary to disentangle the direct and indirect influence of multiple traits on range size to better elucidate the mechanisms that generate macroecological relationships

Caldendrin–Jacob: A Protein Liaison That Couples NMDA Receptor Signalling to the Nucleus

NMDA (N-methyl-D-aspartate) receptors and calcium can exert multiple and very divergent effects within neuronal cells, thereby impacting opposing occurrences such as synaptic plasticity and neuronal degeneration. The neuronal Ca2+ sensor Caldendrin is a postsynaptic density component with high similarity to calmodulin. Jacob, a recently identified Caldendrin binding partner, is a novel protein abundantly expressed in limbic brain and cerebral cortex. Strictly depending upon activation of NMDA-type glutamate receptors, Jacob is recruited to neuronal nuclei, resulting in a rapid stripping of synaptic contacts and in a drastically altered morphology of the dendritic tree. Jacob's nuclear trafficking from distal dendrites crucially requires the classical Importin pathway. Caldendrin binds to Jacob's nuclear localization signal in a Ca2+-dependent manner, thereby controlling Jacob's extranuclear localization by competing with the binding of Importin-α to Jacob's nuclear localization signal. This competition requires sustained synapto-dendritic Ca2+ levels, which presumably cannot be achieved by activation of extrasynaptic NMDA receptors, but are confined to Ca2+ microdomains such as postsynaptic spines. Extrasynaptic NMDA receptors, as opposed to their synaptic counterparts, trigger the cAMP response element-binding protein (CREB) shut-off pathway, and cell death. We found that nuclear knockdown of Jacob prevents CREB shut-off after extrasynaptic NMDA receptor activation, whereas its nuclear overexpression induces CREB shut-off without NMDA receptor stimulation. Importantly, nuclear knockdown of Jacob attenuates NMDA-induced loss of synaptic contacts, and neuronal degeneration. This defines a novel mechanism of synapse-to-nucleus communication via a synaptic Ca2+-sensor protein, which links the activity of NMDA receptors to nuclear signalling events involved in modelling synapto-dendritic input and NMDA receptor–induced cellular degeneration

Space, time, and visual analytics

Visual analytics aims to combine the strengths of human and electronic data processing. Visualisation, whereby humans and computers cooperate through graphics, is the means through which this is achieved. Seamless and sophisticated synergies are required for analysing spatio-temporal data and solving spatio-temporal problems. In modern society, spatio-temporal analysis is not solely the business of professional analysts. Many citizens need or would be interested in undertaking analysis of information in time and space. Researchers should find approaches to deal with the complexities of the current data and problems and find ways to make analytical tools accessible and usable for the broad community of potential users to support spatio-temporal thinking and contribute to solving a large range of problems

Mutations in GRIN2A and GRIN2B encoding regulatory subunits of NMDA receptors cause variable neurodevelopmental phenotypes.

N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors mediate excitatory neurotransmission in the mammalian brain. Two glycine-binding NR1 subunits and two glutamate-binding NR2 subunits each form highly Ca(2)(+)-permeable cation channels which are blocked by extracellular Mg(2)(+) in a voltage-dependent manner. Either GRIN2B or GRIN2A, encoding the NMDA receptor subunits NR2B and NR2A, was found to be disrupted by chromosome translocation breakpoints in individuals with mental retardation and/or epilepsy. Sequencing of GRIN2B in 468 individuals with mental retardation revealed four de novo mutations: a frameshift, a missense and two splice-site mutations. In another cohort of 127 individuals with idiopathic epilepsy and/or mental retardation, we discovered a GRIN2A nonsense mutation in a three-generation family. In a girl with early-onset epileptic encephalopathy, we identified the de novo GRIN2A mutation c.1845C>A predicting the amino acid substitution p.N615K. Analysis of NR1-NR2A(N615K) (NR2A subunit with the p.N615K alteration) receptor currents revealed a loss of the Mg(2)(+) block and a decrease in Ca(2)(+) permeability. Our findings suggest that disturbances in the neuronal electrophysiological balance during development result in variable neurological phenotypes depending on which NR2 subunit of NMDA receptors is affected

Mutations in GRIN2A and GRIN2B encoding regulatory subunits of NMDA receptors cause variable neurodevelopmental phenotypes

N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors mediate excitatory neurotransmission in the mammalian brain. Two glycine-binding NR1 subunits and two glutamate-binding NR2 subunits each form highly Ca²(+)-permeable cation channels which are blocked by extracellular Mg²(+) in a voltage-dependent manner. Either GRIN2B or GRIN2A, encoding the NMDA receptor subunits NR2B and NR2A, was found to be disrupted by chromosome translocation breakpoints in individuals with mental retardation and/or epilepsy. Sequencing of GRIN2B in 468 individuals with mental retardation revealed four de novo mutations: a frameshift, a missense and two splice-site mutations. In another cohort of 127 individuals with idiopathic epilepsy and/or mental retardation, we discovered a GRIN2A nonsense mutation in a three-generation family. In a girl with early-onset epileptic encephalopathy, we identified the de novo GRIN2A mutation c.1845C>A predicting the amino acid substitution p.N615K. Analysis of NR1-NR2A(N615K) (NR2A subunit with the p.N615K alteration) receptor currents revealed a loss of the Mg²(+) block and a decrease in Ca²(+) permeability. Our findings suggest that disturbances in the neuronal electrophysiological balance during development result in variable neurological phenotypes depending on which NR2 subunit of NMDA receptors is affected

Health-status outcomes with invasive or conservative care in coronary disease

BACKGROUND In the ISCHEMIA trial, an invasive strategy with angiographic assessment and revascularization did not reduce clinical events among patients with stable ischemic heart disease and moderate or severe ischemia. A secondary objective of the trial was to assess angina-related health status among these patients. METHODS We assessed angina-related symptoms, function, and quality of life with the Seattle Angina Questionnaire (SAQ) at randomization, at months 1.5, 3, and 6, and every 6 months thereafter in participants who had been randomly assigned to an invasive treatment strategy (2295 participants) or a conservative strategy (2322). Mixed-effects cumulative probability models within a Bayesian framework were used to estimate differences between the treatment groups. The primary outcome of this health-status analysis was the SAQ summary score (scores range from 0 to 100, with higher scores indicating better health status). All analyses were performed in the overall population and according to baseline angina frequency. RESULTS At baseline, 35% of patients reported having no angina in the previous month. SAQ summary scores increased in both treatment groups, with increases at 3, 12, and 36 months that were 4.1 points (95% credible interval, 3.2 to 5.0), 4.2 points (95% credible interval, 3.3 to 5.1), and 2.9 points (95% credible interval, 2.2 to 3.7) higher with the invasive strategy than with the conservative strategy. Differences were larger among participants who had more frequent angina at baseline (8.5 vs. 0.1 points at 3 months and 5.3 vs. 1.2 points at 36 months among participants with daily or weekly angina as compared with no angina). CONCLUSIONS In the overall trial population with moderate or severe ischemia, which included 35% of participants without angina at baseline, patients randomly assigned to the invasive strategy had greater improvement in angina-related health status than those assigned to the conservative strategy. The modest mean differences favoring the invasive strategy in the overall group reflected minimal differences among asymptomatic patients and larger differences among patients who had had angina at baseline

Initial invasive or conservative strategy for stable coronary disease

BACKGROUND Among patients with stable coronary disease and moderate or severe ischemia, whether clinical outcomes are better in those who receive an invasive intervention plus medical therapy than in those who receive medical therapy alone is uncertain. METHODS We randomly assigned 5179 patients with moderate or severe ischemia to an initial invasive strategy (angiography and revascularization when feasible) and medical therapy or to an initial conservative strategy of medical therapy alone and angiography if medical therapy failed. The primary outcome was a composite of death from cardiovascular causes, myocardial infarction, or hospitalization for unstable angina, heart failure, or resuscitated cardiac arrest. A key secondary outcome was death from cardiovascular causes or myocardial infarction. RESULTS Over a median of 3.2 years, 318 primary outcome events occurred in the invasive-strategy group and 352 occurred in the conservative-strategy group. At 6 months, the cumulative event rate was 5.3% in the invasive-strategy group and 3.4% in the conservative-strategy group (difference, 1.9 percentage points; 95% confidence interval [CI], 0.8 to 3.0); at 5 years, the cumulative event rate was 16.4% and 18.2%, respectively (difference, 121.8 percentage points; 95% CI, 124.7 to 1.0). Results were similar with respect to the key secondary outcome. The incidence of the primary outcome was sensitive to the definition of myocardial infarction; a secondary analysis yielded more procedural myocardial infarctions of uncertain clinical importance. There were 145 deaths in the invasive-strategy group and 144 deaths in the conservative-strategy group (hazard ratio, 1.05; 95% CI, 0.83 to 1.32). CONCLUSIONS Among patients with stable coronary disease and moderate or severe ischemia, we did not find evidence that an initial invasive strategy, as compared with an initial conservative strategy, reduced the risk of ischemic cardiovascular events or death from any cause over a median of 3.2 years. The trial findings were sensitive to the definition of myocardial infarction that was used