Modelling the Evolution of Species’ Ranges
(2022)- Abstract
- The fact that species have limited ranges is often due to a limited ability to adapt to the environmental conditions that occur outside their geographic ranges. However, due to ongoing climate change, the environmental conditions within species’ geographic ranges may change in the near-future. To avoid extinction, many populations therefore need to migrate to new areas and/or adapt to the new conditions. Migration to new areas may be problematic, however, because adaptation to new environmental factors, such as predation/grazing, competition, or parasitism from new species, or new physical factors besides temperature, may be necessary even though the temperature is the same in the new area as in the native habitat. In addition, migration... (More)
- The fact that species have limited ranges is often due to a limited ability to adapt to the environmental conditions that occur outside their geographic ranges. However, due to ongoing climate change, the environmental conditions within species’ geographic ranges may change in the near-future. To avoid extinction, many populations therefore need to migrate to new areas and/or adapt to the new conditions. Migration to new areas may be problematic, however, because adaptation to new environmental factors, such as predation/grazing, competition, or parasitism from new species, or new physical factors besides temperature, may be necessary even though the temperature is the same in the new area as in the native habitat. In addition, migration to new areas is associated with a considerable loss of genetic diversity, which may severely reduce the ability to adapt to new conditions. To understand if and how populations may adapt to new environments, or if their ranges will contract when the environmental conditions change, it is necessary to understand which evolutionary mechanisms underly the geographic range limits of species. In my dissertation, I am using mathematical and computer-based modelling to study the limits to evolution at range margins. I find, among other things, that the ability to self-fertilise often is favourable at range margins, despite the depletion of genetic diversity that is typically associated with self-fertilisation. Likewise, I find that it is often favourable for range expansions if combinations of genes that are under selection tend to be inherited together (rather than being mixed up under so-called genetic recombination), in part because locally adapted combinations of genes are partially protected from being mixed up with less well-adapted genes. It is known that another factor that facilitates range expansions is phenotypic plasticity: that is, the ability of an organism to change its characteristics (phenotype) as a response to the environment it is exposed to. I find that evolution favours increased plasticity only as long as the cost of plasticity is not too high. To interpret empirical experiments involving plasticity correctly it is important to know if the observed change in phenotype improves the local fitness or if it is just a consequence of physiological stress, which I illustrate with simulations. Finally, I find that the effects of multiple environmental gradients (gradual changes in the environmental conditions across geographical space) are added to each other in such a way that the total environmental gradient may become steep enough to prevent further range expansion, even when each individual gradient is shallow and easy to miss in field studies. To conclude, the new insights from my thesis contribute to improving the understanding of why limits to species’ ranges form. (Less)
- Abstract (Swedish)
- Att arter har begränsade geografiska utbredningsområden beror ofta på en begränsad förmåga att anpassa sig till de miljöförhållanden som råder utanför arternas utbredningsgränser. På grund av pågående klimatförändringar kan dock de miljöförhållanden som råder inom arters nuvarande utbredningsområden komma att ändras inom den närmaste framtiden. För att undgå utrotning kommer därför många populationer att behöva migrera till nya områden och/eller anpassa sig till de förändrade livsförhållandena.
Migration till nya områden är inte oproblematiskt eftersom anpassning till andra miljöfaktorer, såsom predation/betning, konkurrens eller parasitism från nya arter, eller nya fysiska faktorer utöver temperatur, kan krävas även om temperaturen i... (More) - Att arter har begränsade geografiska utbredningsområden beror ofta på en begränsad förmåga att anpassa sig till de miljöförhållanden som råder utanför arternas utbredningsgränser. På grund av pågående klimatförändringar kan dock de miljöförhållanden som råder inom arters nuvarande utbredningsområden komma att ändras inom den närmaste framtiden. För att undgå utrotning kommer därför många populationer att behöva migrera till nya områden och/eller anpassa sig till de förändrade livsförhållandena.
Migration till nya områden är inte oproblematiskt eftersom anpassning till andra miljöfaktorer, såsom predation/betning, konkurrens eller parasitism från nya arter, eller nya fysiska faktorer utöver temperatur, kan krävas även om temperaturen i det nya området är densamma som temperaturen i det ursprungliga habitatet. Därtill är migration till ett nytt område ofta förknippat med en betydande förlust av genetisk diversitet inom populationer, vilket i sig kan leda till en kraftig reduktion av populationens förmåga att anpassa sig till nya förhållanden. För att förstå om och hur
populationer kan anpassa sig till de nya förhållandena, eller om deras
utbredningsområden kommer krympa när livsbetingelserna förändras, är det
nödvändigt att förstå vilka evolutionära mekanismer som ligger bakom att arter har bestämda gränser för sina utbredningsområden.
I min avhandling använder jag matematisk och datorbaserad modellering för att studera evolutionens begränsningar i de livsmiljöer som råder vid arters utbredningsgränser, och vilka faktorer som gynnar större utbredningsområden. Jag finner, bland annat, att förmågan till självbefruktning ofta är gynnsam i marginella och glest befolkade miljöer,
trots den negativa effekt som självbefruktning vanligtvis har på populationer genom att bidra till reducerad genetisk diversitet. Likaså finner jag att det ofta är gynnsamt för expansion av utbredningsområden om kombinationer av gener under selektion tenderar att nedärvas tillsammans (istället för att blandas upp under så kallad genetisk rekombination), bland annat för att lokalt anpassade kombinationer av gener delvis skyddas från att blandas ihop med sämre anpassade gener. Det är känt att ytterligare en faktor som kan gynna expansion av utbredningsområden är fenotypisk plasticitet, dvs
förmågan för en organism att förändra sina egenskaper (fenotyp) som ett svar på den miljö den exponerats för. Jag finner att evolutionen bara gynnar ökad plasticitet så länge kostnaderna för plasticitet inte är för stora. För att korrekt tolka empiriska experiment involverande plasticitet är det viktigt att veta om den förändrade fenotyp som observerats bidrar till att öka den lokala anpassningsförmågan eller om den snarare är en konsekvens av fysiologisk stress, vilket jag illustrerar med simuleringar. Slutligen finner jag att multipla miljögradienter (gradvisa förändringar av livsmiljön över det geografiska rummet) adderas till varandra så att den totala gradienten kan bli tillräckligt brant för att förhindra vidare expansion av en populations utbredningsområde. Detta även om individuella gradienter är grunda och lätt kan missas i fältstudier. Sammanfattningsvis bidrar de nya insikterna från min avhandling till att öka förståelsen för varför gränser för arters utbredningsområden bildas. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
https://lup.lub.lu.se/record/c6c7ec58-bc58-4d8e-800e-1be6717595fc
- author
- Eriksson, Martin LU
- publishing date
- 2022-10-14
- type
- Thesis
- publication status
- published
- subject
- publisher
- Stema Specialtryck AB
- ISBN
- 978-91-8009-977-6
- 978-91-8009-978-3
- language
- English
- LU publication?
- no
- id
- c6c7ec58-bc58-4d8e-800e-1be6717595fc
- alternative location
- https://gupea.ub.gu.se/handle/2077/73422
- date added to LUP
- 2025-03-13 15:15:20
- date last changed
- 2025-04-04 14:45:38
@phdthesis{c6c7ec58-bc58-4d8e-800e-1be6717595fc,
abstract = {{The fact that species have limited ranges is often due to a limited ability to adapt to the environmental conditions that occur outside their geographic ranges. However, due to ongoing climate change, the environmental conditions within species’ geographic ranges may change in the near-future. To avoid extinction, many populations therefore need to migrate to new areas and/or adapt to the new conditions. Migration to new areas may be problematic, however, because adaptation to new environmental factors, such as predation/grazing, competition, or parasitism from new species, or new physical factors besides temperature, may be necessary even though the temperature is the same in the new area as in the native habitat. In addition, migration to new areas is associated with a considerable loss of genetic diversity, which may severely reduce the ability to adapt to new conditions. To understand if and how populations may adapt to new environments, or if their ranges will contract when the environmental conditions change, it is necessary to understand which evolutionary mechanisms underly the geographic range limits of species. In my dissertation, I am using mathematical and computer-based modelling to study the limits to evolution at range margins. I find, among other things, that the ability to self-fertilise often is favourable at range margins, despite the depletion of genetic diversity that is typically associated with self-fertilisation. Likewise, I find that it is often favourable for range expansions if combinations of genes that are under selection tend to be inherited together (rather than being mixed up under so-called genetic recombination), in part because locally adapted combinations of genes are partially protected from being mixed up with less well-adapted genes. It is known that another factor that facilitates range expansions is phenotypic plasticity: that is, the ability of an organism to change its characteristics (phenotype) as a response to the environment it is exposed to. I find that evolution favours increased plasticity only as long as the cost of plasticity is not too high. To interpret empirical experiments involving plasticity correctly it is important to know if the observed change in phenotype improves the local fitness or if it is just a consequence of physiological stress, which I illustrate with simulations. Finally, I find that the effects of multiple environmental gradients (gradual changes in the environmental conditions across geographical space) are added to each other in such a way that the total environmental gradient may become steep enough to prevent further range expansion, even when each individual gradient is shallow and easy to miss in field studies. To conclude, the new insights from my thesis contribute to improving the understanding of why limits to species’ ranges form.}},
author = {{Eriksson, Martin}},
isbn = {{978-91-8009-977-6}},
language = {{eng}},
month = {{10}},
publisher = {{Stema Specialtryck AB}},
title = {{Modelling the Evolution of Species’ Ranges}},
url = {{https://gupea.ub.gu.se/handle/2077/73422}},
year = {{2022}},
}