Interazioni dei cambiamenti climatici con le invasioni biologiche e uso del suolo nelle isole Hawaii: modellare il destino di uccelli endemici utilizzando un sistema di informazione geografica

Astratto I honeycreepers Hawaii (Drepanidae) rappresentano una superba illustrazione della radiazione evolutiva, con un singolo evento colonizzazione dando luogo a 19 specie esistenti e almeno il 10 estinti [Curnutt, J. & Pimm, S. (2001) Stud. Biol aviaria. 22, 15-30]. Essi rappresentano anche un drammatico esempio di estinzione di origine antropica. Colture e pascoli ha sostituito il loro habitat forestali, e le introduzioni umani di predatori e malattie, in particolare di zanzare e la malaria aviaria, li ha eliminato dai restanti foreste a basso e medio-elevazione. Paesaggio analisi dei tre rifugi forestali di alta quota mostrano che il cambiamento climatico antropogenico è probabile che si combinano con ultimi cambiamenti di uso del suolo e le invasioni biologiche per guidare alcune delle rimanenti specie all'estinzione, in particolare sulle isole di Kauai e Hawaii. Prove fossili dimostrano che le isole Hawaii erano un tempo sede di più di 100 specie endemiche e sottospecie di terra e di acqua uccelli ( 1 ). L'arrivo di polinesiani e, successivamente, gli europei e gli altri coloni ha chiuso l'isolamento che ha favorito l'evoluzione di questa variegata avifauna. Attualmente, 48 delle oltre 100 specie originali sono elencati come esistente; tuttavia, 11 di queste specie non sono stati osservati in più di un decennio e sono probabilmente estinto ( 2 ). Fino ad oggi, le estinzioni delle honeycreepers, in particolare, sono stati guidati in gran parte dalla perdita di habitat, i predatori introdotti, e le malattie ( 3-6 ). La perdita di habitat è iniziato con coloni polinesiani, che eliminato gran parte della bassa elevazione e stagionalmente secca foresta per scopi agricoli ( 7 ). Gli europei e gli altri coloni ha introdotto nuove tecnologie agricole e animali domestici supplementari; l'introduzione di bovini e ovini in particolare ha portato allo sviluppo di pascoli nella foresta alta elevazione che riduce ulteriormente la quantità di habitat adatto per gli uccelli di foresta nativa ( 8 , 9 ). Oggi, la distribuzione dei montane foresta pluviale tropicale è vincolata da agricoltura e lo sviluppo urbano a bassa elevazione e pascoli rimane il principale uso del suolo umano ad alta quota. I polinesiani cacciato alcuni uccelli per il cibo e le piume e ratti e cani anche introdotte che hanno predato sugli uccelli nidificanti. Coloni successivi introdotti diversi predatori supplementari, più in particolare manguste, gatti e due ulteriori specie di ratti. Per gli uccelli nativi della foresta-dimora, honeycreepers in particolare, l'introduzione accidentale di zanzare e vaiolo aviario, e la malaria, più recentemente aviaria, ha avuto le maggiori conseguenze. La ricerca sul campo nelle foreste delle Hawaii mostra che abbondanze di uccelli nativi, malaria prevalenza del parassita, e livelli di zanzara vettore variano prevedibilmente lungo gradienti di elevazione (Rif. 5 , Fig. 1 ). La zanzara ha introdotto, Culex quinquefasciatus , è presente in numero elevato a quote più basse, dove molti uccelli introdotti e quasi non vengono trovati uccelli nativi. Perché gli uccelli introdotte sono resistenti alla malaria, la prevalenza di Plasmodium nelle popolazioni aviarie da quelle altitudini è basso. La malaria prevalenza aumenta in modo significativo nella foresta a metà altezza, corrispondenti alle quote più basse in cui uccelli nativi si trovano attualmente, e qui la trasmissione della malaria per uccelli nativi è significativo ( 10 ). Ad altitudini più elevate, sia Culex popolazioni e prevalenza di Plasmodium declino mentre gli uccelli nativi raggiungono la loro abbondanza e la diversità di picco. Queste foreste di alta quota sono l'ultimo rifugio per 10 specie di uccelli della foresta in via di estinzione, di cui 8 honeycreepers: il rampicante Hawaii ( Oreomystis mana ), palila ( Loxioides bailleui ), àkiapola AU ( hemignathus munroi ), Hawaii àkepa ( Loxops c. coccineus ), e Alala ( Corvus hawaiiensis ) dell'isola di Hawaii, la PALMERIA DOLEI ( Palmeria Dolei ), Parrotbill ( xanthophrys Pseudonestor ), e po Ouli ( Melamprosops phaeosoma ) di Maui, e il puaiohi ( Myadestes Palmeri ) e Kauai àkepa ( Loxops c. caeruleirostris ) di Kauai. Diverse altre specie rimangono federale elencati come in via di estinzione, ma c'è poca speranza che eventuali individui sopravviveranno. Altre specie autoctone restano abbondanti in queste foreste di elevazione superiori, anche se alcuni di loro sono in calo pure. Fig. 1. In una nuova finestra Scarica PPT Fig. 1. Un modello generalizzato di abbondanze uccello nativo, malaria incidenza dei parassiti, e livelli di zanzara vettore lungo un gradiente di elevazione alle Hawaii [riprodotto con permesso da rif. 5 (Copyright 1986 Gruppo ecol. Soc. Am.)]. Vi è sostanziale evidenza da studi di umana e malaria aviaria che lo sviluppo di Plasmodium parassiti all'interno zanzare dipende dalla temperatura e che vi è una temperatura soglia sotto la quale Plasmodium non può sviluppare al suo stadio infettivo ( 11 , 12 ). In Hawaii, la temperatura di soglia per la trasmissione di Plasmodium relictum è stata stimata essere di 13 ° C, mentre picco Plasmodium prevalenza nelle zanzare selvatiche si verifica nelle foreste metà elevazione in cui la temperatura media estiva ambiente è di 17 ° C ( 10 ). Potrebbe il cambiamento climatico antropogenico aggravare gli effetti di una malattia in funzione della temperatura introdotto, guidando molti dei restanti uccelli nativi oltre il limite di estinzione? Le caratteristiche climatiche principali di foreste montane delle Hawaii sono il nord-est alisei e l'associato inversione di trade-vento. L'altitudine di questa inversione media 1.900 m; sopra di tale altitudine, umidità e precipitazioni declino rapido, stabilendo un limite massimo di vegetazione forestale ( 13 ). Anche se le isole Hawaii sono marittima, e quindi relativamente ben tamponata climaticamente, studi palinologici mostrano che entrambe le temperature locali e l'elevazione dell'inversione commercio-vento hanno risposto sostanzialmente alle variazioni climatiche del passato ( 14-16 ). Come sarà il cambiamento climatico globale influenzare il clima regionale e locale nelle foreste pluviali montane hawaiane? Anche se le previsioni dettagliate di clima regionale restano incerte, soprattutto ai tropici, recenti studi che si sono concentrati sulle foreste montane delle Neotropics forniscono qualche evidenza di una risposta climatica comune in uno scenario di riscaldamento. Sulla base di simulazioni climatiche globali sotto elevati di CO 2 condizioni, ancora et al. ( 17 ) suggeriscono che il riscaldamento della superficie del mare nel Pacifico provocherà un'intensificazione del ciclo idrologico tropicale, che a sua volta causare il rilascio di calore latente dopo la condensazione, riscaldando l'atmosfera. Da questi risultati, Still et al. ( 17 ) e Pounds et al. ( 18 ) suggeriscono un aumento del livello di condensazione sollevamento e l'altezza delle nubi orografiche. Questi cambiamenti, definito l'ipotesi di cloud-base di sollevamento, aumenterebbe sia i limiti altitudinali inferiori e superiori di foreste pluviali montane ( 19 ). Le modifiche coerenti con questa previsione sono stati osservati in foreste montane dell'America Centrale, anche se un meccanismo alternativo, controvento disboscamento delle foreste di pianura, anche potrebbe aumentare convettivo e base delle nubi orografiche ( 20 ). In Hawaii, il limite del bosco superiore sul Haleakala, Maui è aumentato in elevazione durante l'optimum climatico dell'Olocene quando radiativo postglacial forzatura era al suo massimo ( 21 ). Questa osservazione è coerente con l'ipotesi di sollevamento cloud-base. In alternativa, Loope e Giambelluca ( 22 ) suggeriscono che la fase di El Niño di El Niño / Southern Oscillation potrebbe fornire un analogo per le conseguenze locali di un mondo più caldo. In queste condizioni, temperature più elevate sono associate con la siccità alta quota, che alla fine avrebbe deprimere i limiti della foresta nuvola. Nella nostra analisi, abbiamo ipotizzato che il sollevamento basi cloud e aumenti di treeline superiore elevazione sarà predominante. L'alternativa di siccità superiore elevazione e un treeline depresso sarebbe molto più dannoso per le foreste delle Hawaii e alle honeycreepers che essi supportano. Sezione precedente Sezione successiva metodi Abbiamo valutato i probabili effetti del cambiamento climatico sulla misura delle foreste a basso rischio per la malaria aviaria per tre isole Hawaii: Hawaii, Maui, e Kauai. All'interno di ogni isola abbiamo scelto una specifica rappresentante zona della foresta più intatto e più alta abbondanza di uccelli nativi: la Hakalau National Wildlife Refuge sull'isola di Hawaii, la Foresta Hanawi a Maui, e la regione Alakai Palude su Kauai. Federali, statali e / o privati ​​di gestire tutte queste aree come parchi e / o conserva per la conservazione; tutti sostenere la ricerca sostanziale sulle honeycreepers Hawaii in via di estinzione. Abbiamo ipotizzato che un aumento di 2 ° C nelle temperature regionali sarebbe avvenuto da qualche tempo in ritardo nel prossimo secolo, in linea con le previsioni del clima-modello per la regione. Si presume inoltre che l'inversione trade-vento aumenterebbe in quota, portando un aumento delle precipitazioni alle foreste di alta quota. Infine, abbiamo ipotizzato che il tasso di variazione della temperatura e di espansione nella trasmissione della malaria sarà sostanzialmente più rapido del tasso di espansione bosco sopra il limite del bosco corrente. Le nostre analisi hanno comportato proiettando spazialmente le isoterme per le temperature critiche per Plasmodium sviluppo sia in condizioni correnti e un 2 ° C il riscaldamento scenario. Utilizzando un 30-m US Geological Survey modello digitale per ogni isola e un gradiente di ≈6.5 ° C / km ( 23 ), abbiamo mappato la posizione dei C isoterme 17 e 13 ° come strato di dati vettoriali. L'area al di sotto del 17 ° C isoterma (aumento della temperatura) è la regione in cui l'infezione malarica è certa, e al di sopra della C isoterma di 13 ° (diminuzione della temperatura) lo sviluppo del parassita non si verifica. Successivamente, abbiamo sovrapposto le coperture vettore dei confini rifugio e isoterme di temperatura su un composito satellitare falsi colori l'immagine Terre (SPOT) via satellite di osservazione de la raccolta nel mese di gennaio del 1995. Abbiamo poi calcolato la variazione di area di riserva della foresta sotto la Pour più caldo scenario clima per le seguenti tre zone di temperatura: sopra 17 ° C, compresa tra 17 e 13 ° C, e sotto i 13 ° C. Queste zone corrispondono ad una zona ad alto rischio di infezione di malaria (sopra 17 ° C), una zona di transizione in cui è possibile ma limitato (tra 17 e 13 ° C) alcune trasmissioni, ed una zona a basso rischio (foresta alta elevazione a o inferiore a 13 ° C) rispettivamente. Alcune infezioni malariche sono presenti in queste zone a basso rischio, ma possono riflettere la mobilità degli uccelli. La trasmissione, se si verifica affatto nel zona di temperatura più alta, è probabile breve, episodica e limitata a periodi di clima caldo (rif. 24 e CTA, dati non pubblicati).