Biotic controls on the waxing and waning of reefs and their constructors
Biologische Kontrollfaktoren im Wachstum und Rückgang von Riffen und riffbildenden Organismen
Creators: name: Raja Schoob, Nussaibah B.
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2023
Subjects: extinction risk
fossil record
reef corals
red list
traits
modularity
co-occurrence
predictive modelling

description: Presently, the Earth is undergoing an 'anthropogenic hyperthermal' event that could potentially lead us towards yet another reef crisis and a widespread extinction event. Examining the geological history of reefs provides a valuable avenue for comprehending and overseeing their reactions to climate fluctuations and associated stresses, allowing us to project potential futures for coral reefs. Both the geological record and the modern ocean provide evidence that reefs and reef corals have the ability to adapt despite a warming climate. For instance, certain reef corals displaying particular life-history traits demonstrate a greater likelihood of enduring climate shifts and other environmental pressures. The formation of reefs is significantly shaped by the life-history traits of their inhabitants. For instance, numerous corals responsible for building reefs exhibit slow growth rates and limited abilities for dispersal. This means that the pace at which reefs develop is constrained by the growth and reproductive patterns of these specific corals. A comprehensive database encompassing the traits of existing reef corals is already accessible and widely employed to study vulnerabilities to environmental perturbations such as climate change. However, the absence of similar compilations of traits for extinct reef-forming organisms impedes the exploration of analogous inquiries using the fossil record. The Ancient Reef Traits Database (ARTD), an initiative aimed at consolidating trait data from a diverse array of reef-building organisms into a unified repository, aims to fill this gap. ARTD encompasses data at the specimen level, sourced from both published and unpublished materials. Information from ARTD was used for the study of coral reef evolution and photosymbiosis. The symbiotic relationship between algae and reef corals is vital for reef growth, especially in nutrient-poor environments. Corallite sizes of corals have been shown to reflect the efficacy of photosymbiosis in reef corals, where smaller corallite sizes are generally associated with higher dependency on the coral holobiont. Starting from the Early Triassic, scleractinian corals have exhibited a decreasing trend in corallite size. Notably, since the Cretaceous period, the maximum corallite sizes among colonial corals plateaued, while minimum values continued to diminish. These patterns indicate an increasing reliance on photosymbiosis among corals. Although this adaptation has contributed to the historical success of corals and coral reefs, it has also rendered them more susceptible to the impacts of global warming. In addition to comprehending coral evolution, examining life history traits can offer insights into how corals have responded to hyperthermal stress in the past and how they may respond to warming temperatures in the future. A machine learning model trained on trait information, phylogenetic information and evidence of extinction during the Plio-Pleistocene was used to predict the extinction risk of contemporary reef corals. The fossil-calibrated model results showed that about 50% of reef corals are currently at risk of extinction and did not match the assessment (extinction risk of 36%) by the International Union for Conservation of Nature (IUCN). Several other studies have similarly shown that there are inconsistencies with the IUCN assessment when it comes to reef corals. Fossil extinctions are spread over thousands of years, so increase by 14% does not necessarily indicate near-future extinction risk. However, this shows the need to include evolutionary information when calculating extinction risk of modern corals. Reef builders and the way they organise themselves in reefs also contributes to the success of a reef. Positive co-occurrence patterns are generally more common in reefal as compared to non-reefal communities. Following the end-Permian mass extinction, reef assemblages displayed increased modularity during periods of reef booms, with limited membership compared to typical phases of reef expansion. Modular communities potentially offer a safeguard against declines and extinctions when they consist of species occupying distinct ecological niches, thus responding differently to environmental disruptions. This diversity in responses provides a protective shield for modular communities. Evidence suggests that the presence of modularity within reefs may have contributed to the stabilization of reef ecosystems, enhancing their capacity to rebound from minor disturbances, fostering the accumulation of reef-building carbonate, and facilitating robust reef growth. In summary, results from this thesis show that there is a need to focus more on the biotic controls of reefs and reef-builders as they play a great role of reef growth and development. Trait-based methods provide a means to establish relationships between various characteristics or traits of reef corals and environmental shifts, ultimately aiming to predict how communities and the reef ecosystem will respond to these changes. This can be applied (1) to gain valuable insights into drivers of reef proliferation and decline in ancient reefal ecosystems, and (2) to inform future assessments of extinction risk of reef corals and reefs.
description: Derzeit erlebt die Erde ein "anthropogenes hyperthermales" Ereignis, das uns möglicherweise zu einer weiteren Riffkrise und einem weit verbreiteten Aussterben führen könnte. Die Untersuchung der geologischen Geschichte der Riffe ist ein wertvoller Weg, um ihre Reaktionen auf Klimaschwankungen und die damit verbundenen Belastungen zu verstehen, und ermöglicht es uns, die mögliche Zukunft der Korallenriffe zu projizieren. Sowohl die geologischen Aufzeichnungen als auch der moderne Ozean liefern Beweise dafür, dass Riffe und Riffkorallen in der Lage sind, sich trotz einer Erwärmung des Klimas anzupassen. Gewisse Riffkorallen mit speziellen lebensgeschichtlichen Merkmalen weisen beispielsweise eine größere Wahrscheinlichkeit auf, Klimaveränderungen und anderen Umweltbelastungen standzuhalten. Die Entstehung von Riffen wird maßgeblich von den lebensgeschichtlichen Merkmalen ihrer Bewohner geprägt. Zahlreiche Korallen, die für den Aufbau von Riffen verantwortlich sind, weisen beispielsweise langsame Wachstumsraten und begrenzte Ausbreitungsfähigkeiten auf. Das bedeutet, dass die Geschwindigkeit mit der sich Riffe entwickeln, von den Wachstums- und Fortpflanzungsmustern dieser speziellen Korallen bestimmt wird. Eine umfassende Datenbank mit den Merkmalen bestehender Riffkorallen ist bereits zugänglich und wird häufig genutzt, um die Anfälligkeit gegenüber Umweltstörungen wie dem Klimawandel zu untersuchen. Das Fehlen ähnlicher Zusammenstellungen von Merkmalen für ausgestorbene riffbildende Organismen erschwert jedoch die Erforschung analoger Untersuchungen anhand der fossilen Aufzeichnungen. Die Ancient Reef Traits Database (ARTD) ist eine Initiative, die darauf abzielt, Merkmalsdaten von einer Vielzahl von riffbildenden Organismen in einem einheitlichen Repository zu konsolidieren, und soll diese Lücke schließen. ARTD umfasst Daten auf der Ebene der Exemplare, die sowohl aus veröffentlichten als auch aus unveröffentlichten Materialien stammen. Die Informationen von ARTD wurden für die Untersuchung der Evolution von Korallenriffen und der Photosymbiose genutzt. Die symbiotische Beziehung zwischen Algen und Riffkorallen ist für das Riffwachstum von entscheidender Bedeutung, insbesondere in nährstoffarmen Umgebungen. Es hat sich gezeigt, dass die Korallitgröße von Korallen die Wirksamkeit der Photosymbiose in Riffkorallen widerspiegelt, wobei kleinere Korallitgrößen im Allgemeinen mit einer größeren Abhängigkeit vom Korallen-Holobionten verbunden sind. Seit der frühen Trias ist bei den skleraktinischen Korallen eine abnehmende Tendenz der Korallitgröße zu beobachten. Darüber hinaus stagniert seit der Kreidezeit die maximale Größe der Koralliten bei kolonialen Korallen, während die minimalen Werte weiter abnehmen. Diese Muster deuten auf eine zunehmende Abhängigkeit der Korallen von der Photosymbiose hin. Diese Anpassung hat zwar zum historischen Erfolg von Korallen und Korallenriffen beigetragen, aber sie hat sie auch anfälliger für die Auswirkungen der globalen Erwärmung gemacht. Zusätzlich zum Verständnis der Evolution von Korallen kann auch die Untersuchung lebensgeschichtlicher Merkmale Aufschluss darüber geben, wie Korallen in der Vergangenheit auf hyperthermischen Stress reagiert haben und wie sie in Zukunft auf wärmere Temperaturen reagieren könnten. Ein Modell des maschinellen Lernens, das auf der Grundlage von Merkmalsinformationen, phylogenetischen Informationen und Beweisen für das Aussterben während des Plio-Pleistozäns trainiert wurde, diente zur Vorhersage des Aussterberisikos heutiger Riffkorallen. Die Ergebnisse des auf Fossilien kalibrierten Modells zeigten, dass etwa 50 % der Riffkorallen derzeit vom Aussterben bedroht sind, was nicht mit der Einschätzung (Aussterberisiko von 36 %) der International Union for Conservation of Nature (IUCN) übereinstimmt. Mehrere andere Studien haben ebenfalls gezeigt, dass es bei den Riffkorallen Unstimmigkeiten mit der IUCN-Bewertung gibt. Fossile Aussterbefälle erstrecken sich über Tausende von Jahren, so dass ein Anstieg um 14 % nicht unbedingt auf ein baldiges Aussterberisiko hinweist. Dies zeigt jedoch, dass bei der Berechnung des Aussterberisikos moderner Korallen auch Informationen über die Evolution berücksichtigt werden müssen. Riffbauer und die Art und Weise wie sie sich in Riffen organisieren, tragen ebenfalls zum Erfolg eines Riffs bei. Positive Kookkurrenz-Muster sind in Riffgemeinschaften im Allgemeinen häufiger anzutreffen als in Nicht-Riffgemeinschaften. Nach dem Massenaussterben am Ende des Perms wiesen Riffgemeinschaften in Zeiten des Riffbooms eine erhöhte Modularität auf, wobei die Mitgliederzahl im Vergleich zu den typischen Phasen der Riffexpansion begrenzt war. Modulare Gemeinschaften bieten möglicherweise einen Schutz gegen Rückgang und Aussterben, wenn sie aus Arten bestehen, die unterschiedliche ökologische Nischen besetzen und somit unterschiedlich auf Störungen der Umwelt reagieren. Diese Vielfalt an Reaktionen stellt einen Schutzschild für modulare Gemeinschaften dar. Es gibt Hinweise darauf, dass das Vorhandensein modularer Gemeinschaften in Riffen zur Stabilisierung von Riffökosystemen beigetragen haben könnte, indem sie deren Fähigkeit, sich von kleineren Störungen zu erholen, verbessert, die Ansammlung von riffbildendem Karbonat fördert und ein robustes Riffwachstum ermöglicht. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser These dass es notwendig ist, sich mehr auf die biotische Kontrolle von Riffen und Riffbauern zu konzentrieren, da sie eine große Rolle für das Wachstum und die Entwicklung von Riffen spielen. Merkmalsbasierte Methoden bieten die Möglichkeit, Beziehungen zwischen verschiedenen Merkmalen oder Eigenschaften von Riffkorallen und Umweltveränderungen herzustellen, um letztendlich vorherzusagen, wie Gemeinschaften und das Riffökosystem auf diese Veränderungen reagieren werden. Auf diese Weise lassen sich (1) wertvolle Erkenntnisse über die Triebkräfte für die Vermehrung und den Rückgang von Riffen in alten Riffökosystemen gewinnen und (2) künftige Bewertungen des Aussterberisikos von Riffkorallen und Riffen erstellen.