Modelling activity of terrestrial insects in different temperature and water availability scenarios

Abstract

Klimaendringer er forventet å endre de ytre omgivelsene til levende organismer. For terrestriske ektoterme dyr vil den kombinerte effekten av høyere temperaturer og endrede nedbørsmøster kunne utgjøre en fundamental utfordring. En stor mengde forskning har studert effekten av temperatur. Vi har mindre kunnskap om effekten av endrede nedbørsmønstre og den kombinerte innvirkningen av de to aboitiske faktorene p˚a terrestriske organismers prestasjon. Temperatur og vanntilgang kan påvirke insekters indre energi- og vannbalanse og termo- og hydroregulering kan foregå gjennom adferdsmessige beslutninger om aktivitet og valg av habitat. Termiske prestasjonskurver, som beskriver den temperaturavhengige ytelsesevnen til en egenskap, har ofte vært det teoretiske rammeverket man har brukt for å predikere organismers prestasjon ut fra fysiologisk toleranse. Dette rammeverket har imidlertid ikke blitt utvidet til å inkludere effekten av nedbør og fuktighet.

I denne masteroppgaven utvikler jeg en teoretisk modell. En kombinasjon av stokastisk dynamisk programmering og simularinger gjør det mulig å undersøke valg av aktivitet for et huninnsekt gjennom den reproduktive sesongen, der valgene baseres på insektets indre tilstand og ytre forhold i dets omgivelser. Metoden gjør det mulig å undersøke insektets adferds strategier og de realiserte møstrene for aktivitet, overlevelse og reproduksjon under scenarioer med ulik temperatur og vanntilgang.

Mine resultater predikerer at de ytre miljøfaktorene temperatur og vanntilgang sammen med intern vann- og energitilstand former de optimale adferdsmessige strategiene. Liten vanntilgang har negativ påvirkning på fitness og varme og tørre forhold er predikert å være spesielt alvorlige for individene gjennom påvirkningen på indre vann og energitilstand. Individer som er optimalisert for og simulert gjennom dette senarioet viste en mer semelparøs livsstrategi, med tidligere reproduksjon for lavere indre tilstander. Fysiologisk toleranse er i modellen lik for alle individer i alle miljø, så når ulike strategier gir ulik fitness, indikerer dette at adferdsstrategi spiller en rolle når vi skal forutsi konsekvensene av klimaendringer. Verdien av å ha en tilpasset strategi er predikert å være mest verdifull under krevende tørre forhold. Min oppgave er en start på arbeidet med å inkludere verdien av adferd og et kombinert hydrologisk og termisk perspektiv i det teoretiske rammeverket for å predikere organismers prestasjon. Videre forskning bør fokusere på å integrere flere egenskaper og miljøfaktorer for å gjøre det mulig å predikere organismers ytelse i endrede klimatiske forhold.

Climate change is predicted to alter the external environment of living organisms. For terrestrial ectotherms, the combined impacts of warmer temperatures and altered precipitation regimes are likely to represent a fundamental challenge. A large body of research has focused on the effect of temperature. Less is known about the effects of altered precipitation patterns and the combined effect of these two abiotic stressors on terrestrial organisms’ performance. Temperature and water availability can influence insects’ internal energy and water budget, and thermo- and hydro regulation can be mediated through behavioural decisions of activity and habitat choice. Thermal performance curves (TPC), which describe the temperature-dependent performance of a trait, have often been the conceptual framework used to predict performance from a physiological tolerance perspective. However, this framework has not been extended to include the effects of precipitation and humidity.

In this thesis, I develop a theoretical model where a combination of stochastic dynamic programming and simulations is used to investigate the state-dependent activity choices of a generic individual female insect over the breeding season. This method allows the investigation of insects' behavioural strategies and the realized patterns of activity, survival and reproduction under different temperature and water availability scenarios.

My results predict that external environmental conditions of temperature and water availability interact with internal water and energy states in shaping the optimal behavioural strategies. Low water availability is negatively impacting fitness, and warm and dry conditions are predicted to be especially severe for the organisms from a hydrational and energetic perspective. Individuals optimized for and simulated through this scenario display a more semelparous life history strategy, reproducing earlier and in lower states. Behavioural strategy is influencing fitness, as physiological tolerance in the model is the same for all individuals in all environments, indicating a role of behavioural strategy when predicting consequences of climate change. The value of an adapted behavioural strategy is predicted to be most valuable in harsh dry conditions. My work is a starting point, including the role of behaviour and a joint hydrational and thermal perspective in the theoretical framework for predicting performance. To be able to predict whole-organism performance in altered climates, further work should focus on integrating more traits and stressors.