title: Environmental drivers of colour and size in insects: A macroecological perspective
title: Umwelteinflüsse auf die Färbung und Größe von Insekten aus makroökologischer Perspektive
Creators: name: Zeuss, Dirk
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2017
Subjects: Geografie
Farbe
colour
lepidoptera
Insekten
Macroecology, insects
Schmetterlinge , Körpergröße
Melanismus
Ökologie
Life sciences
Biowissenschaften, Biologie
size

description: Climatic conditions have profound
      effects on the geographical distribution of species across
      diverse taxa and regions. However, the role of traits of
      species that underpin the relationship between distribution
      and climate is poorly understood, especially in animals.
      Although many physiological and local-scale studies on
      animals have demonstrated associations between traits and
      climate, to what extent such mechanistic links may impact
      distribution patterns of species at macroecological scales
      remains largely unknown. In insects, colour and size are two
      very important and highly multifunctional traits, which play
      pivotal roles in natural and sexual selection, and may hence
      be related to climate. The colour of insects comprises
      several functions, namely crypsis, aposematism, sexual
      selection, species recognition, UV resistance, pathogen
      resistance and thermoregulation. However, the relative
      importance of single functions is often unclear because
      several functions of colouration can act simultaneously.
      Hitherto, thermoregulation through thermal melanism is
      supposed to be the dominant function of colouration in
      insects. Dark-coloured individuals heat up faster and attain
      higher steady-state body temperatures compared to
      light-coloured individuals of similar size under equal
      environmetal conditions and light-coloured individuals are
      supposed to have advantages in warmer climates because of a
      reduced risk of overheating. However, it is unknown to which
      extent this physical mechanism influences the colour
      lightness of species in response to different thermal
      environments at macroecological scales and across continents.
      Moreover, thermoregulation is not the only function of
      colouration of insects and it is unknown to which extent
      other functions of colouration dominate in particular
      geographical areas and taxa and thereby form macroecological
      patterns. The size of insects affects almost all
      physiological rates (e.g. rate of oxygen consumption), which
      subsequently determine or constrain fertility, mortality and
      ecological processes such as competitive interactions between
      individuals or species. In this way, body size is ultimately
      linked to the spatiotemporal distribution and abundance of
      animals and has important implications for the impact of
      climate warming – from biomass production by single species
      to the structure and dynamics of communities.However, a
      synthesis and analysis of the major environmental driver for
      the large-scale geographical variation of insect body size is
      missing so far. In this thesis, I use lepidopteran and
      odonate species to address the following questions: i) Are
      assemblages of diurnal insects darker coloured in colder
      regions and lighter coloured in warmer regions? ii) Is
      crypsis, pathogen resistance or protection from UV radiation
      associated with large-scale geographical variation in the
      colouration of insects? iii) What are the major environmental
      drivers for the large-scale geographical variation of body
      size in insects? In conclusion, colour and size of insects
      are related to their geographical distribution even at
      macroecological scales. The underlying mechanisms are
      especially driven by environmental temperatures: for colour
      because of its effect on thermoregulation and immune
      function, and for size because of the temperature dependency
      of metabolic rates and voltinism. With global warming, I
      would thus expect that especially dark-coloured and/or large
      aquatic insects might shift their distribution and retreat
      from warmer areas. Furthermore, insect species with the
      ability to increase their annual number of generations should
      benefit and extend their distribution to higher
      latitudes.
description: Das Klima hat grundlegende
      Auswirkungen auf die Verbreitung von Arten. Ein
      mechanistisches Verständnis des Zusammenhangs zwischen
      Merkmalen von Arten, der räumlichen Verbreitung von Arten und
      klimatischen Bedingungen fehlt jedoch weitestgehend, vor
      allem bei Tieren. Obwohl viele physiologische und
      kleinräumige Studien Zusammenhänge zwischen Merkmalen von
      Arten und klimatischen Bedingungen gezeigt haben, ist
      weitgehend unbekannt, inwieweit solche mechanistischen
      Zusammenhänge die Verbreitung von Arten auf makroökologischer
      Skala beeinflussen. Bei Insekten sind Farbe und Körpergröße
      zwei wichtige multifunktionale Merkmale, die zentrale Rollen
      bei natürlicher und sexueller Selektion einnehmen und
      deswegen mit klimatischen Bedingungen in Beziehung stehen
      könnten. Die Farbe von Insekten wird mit Tarnung,
      Aposematismus, sexueller Selektion, Arterkennung, Resistenz
      gegen UV-Strahlung und Pathogene sowie Thermoregulation
      assoziiert. Die relative Wichtigkeit einzelner Funktionen ist
      jedoch oft unklar, weil mehrere Funktionen von Farbe simultan
      wirken können. Bisher wird davon ausgegangen, dass
      Thermoregulation durch thermalen Melanismus die dominante
      Funktion der Farbe bei Insekten ist. Dunkle Individuen
      erwärmen sich schneller und erreichen höhere
      Körpertemperaturen verglichen mit hellen Individuen unter
      gleichen Umweltbedingungen. Helle Individuen hingegen sollten
      durch ein geringeres Risiko zu Überhitzen einen Vorteil in
      warmen Klimaten besitzen. Es ist jedoch unbekannt, inwiefern
      dieser physikalische Mechanismus die Helligkeit von Arten in
      Abhängigkeit der thermalen Umgebung auf makroökologischer
      Skala und über Kontinente hinweg beeinflusst. Darüber hinaus
      ist Thermoregulation nicht die einzige Funktion von Farbe und
      es ist unbekannt, inwiefern andere Funktionen von Farbe in
      bestimmten Gebieten und Taxa dominieren und dadurch
      makroökologische Muster generieren. Die Körpergröße von
      Insekten beeinflusst fast alle physiologischen Prozesse (z.B.
      den Sauerstoffverbrauch), die wiederum Fertilität, Mortalität
      und ökologische Prozesse wie z.B. die Konkurrenz zwischen
      Individuen oder Arten bestimmen. Somit ist die Körpergröße
      letztendlich mit der raumzeitlichen Verbreitung und Abundanz
      von Arten verbunden, was wichtige Implikationen für
      Auswirkungen des Klimawandels hat – von der
      Biomasseproduktion einzelner Arten hin zur Struktur und
      Dynamik von Artgemeinschaften. Bisher gibt es jedoch noch
      keine Synthese und Analyse der wichtigsten Umwelteinflüsse
      auf die großräumige Verbreitung der Körpergröße von Insekten.
      In dieser Arbeit verwendete ich Lepidopteren (Tag- und
      Nachtfalter) und Odonaten (Groß- und Kleinlibellen), um die
      folgenden Fragen zu bearbeiten: i) Sind Gemeinschaften
      tagaktiver Insekten im Mittel dunkler in kälteren Regionen
      und heller in wärmeren Regionen? ii) Ist Tarnung, Resistenz
      gegen Pathogene oder Schutz vor UV-Strahlung assoziiert mit
      großräumiger Variation in der Farbe von Insekten? iii) Was
      sind die wichtigsten Umwelteinflüsse auf die großräumige
      Variation der Körpergröße von Insekten? Diese Arbeit
      demonstriert, dass Farbe und Körpergröße selbst auf
      makroökologischer Skala in Beziehung zur geographischen
      Verbreitung von Insekten stehen. Die zugrunde liegenden
      Mechanismen sind vor allem durch die Umgebungstemperatur
      gesteuert: Bei der Farbe durch deren Effekt auf
      Thermoregulation sowie Immunfunktion und bei der Körpergröße
      durch die Temperaturabhängigkeit metabolischer Raten und des
      Voltinismus. Mit der Klimaerwärmung erwarte ich von daher,
      dass vor allem dunkle und/oder große aquatische Insekten ihre
      Verbreitungsgebiete verändern und sich von wärmeren Regionen
      zurückziehen. Insektenarten mit der Fähigkeit, ihre jährliche
      Anzahl von Generationen zu erhöhen, sollten hingegen von
      steigenden Umgebungstemperaturen profitieren und ihre
      Verbreitungsgebiete in höhere Breiten ausdehnen.