The interplay between fish life-history traits, population dynamics, and ecosystems

Abstract

Aquatic ecosystems are going through an unprecedented decline in biodiversity. This is clearly reflected in the phenomenal declines in fisheries catches and collapses of many fish populations. Different levels of biological organisation interact in complex ways, and changes in fish life-history traits are reflected at population and ecosystem levels. However, the mechanisms behind those interactions are not well understood, and some interactions are completely unknown. This work uses mathematical modelling to explore how senescence, an often-ignored life-history trait affects fish population dynamics and response to fishing. Simulations demonstrate that senescence leads to evolutionary trajectory towards declining asymptotic length and population response to different fishing selection regimes depends on the presence of senescence. The link from population dynamics to life-history evolution is explored through population oscillations. Mathematical simulations show that oscillation wavelength shorter than the maximum lifespan of the fish produce marked differences in the evolution of asymptotic length. Wavelengths longer than the maximum lifespan in turn manifest in ecological effects seen as biomass fluctuations. The combination of the length and amplitude of the oscillation wave determine the direction of the change. Finally, the link between a single species and ecosystem is explored by introducing an invasive species in a food web model. The invasive species sets off a bottom-up effect seen in the decline of biomass. This effect propagates through all trophic levels in the model, including top predator fishes. These findings illuminate some previously unknown or poorly understood links between different levels of biological organisation that will help us better manage and conserve the aquatic nature.

Akvaattisten ekosysteemien biologinen monimuotoisuus on viime vuosikymmeninä heikentynyt ennennäkemättömällä tavalla. Tämä heijastuu selvästi kalasaaliiden vähenemisenä ja monien kalakantojen romahtamisena. Eri tasot biologisessa organisaatiossa ovat monimutkaisessa vuorovaikutuksessa keskenään, ja kalojen elinkierto-ominaisuuksien muutokset heijastuvat myös populaatio- ja ekosysteemitasoilla. Näiden vuorovaikutusten takana olevia mekanismeja ei kuitenkaan ymmärretä hyvin, ja jotkut yhteydet ovat täysin tuntemattomia. Vanheneminen on usein huomiotta jätetty elinkierto-ominaisuus. Tässä työssä tutkitaan matemaattisten mallien avulla, kuinka vanheneminen ja kalastus vaikuttavat kalojen populaatiodynamiikkaan. Simulaatiot osoittavat, että vanheneminen on yhteydessä evoluutioon kohti lyhyempää asymptoottista pituutta ja vaikuttaa siihen, kuinka populaatio vastaa kalastukseen. Populaatiodynamiikan yhteyttä elinkierto-ominaisuuksiin tutkitaan simuloimalla populaation biomassan vaihtelua. Matemaattiset simulaatiot osoittavat, että jos vaihtelun aallonpituus on lyhyempi kuin kalojen maksimielinikä, aiheuttaa se merkittäviä eroja asymptoottisen pituuden evoluutiossa. Kun populaation vaihtelun aallonpituus on pidempi kuin kalan maksimielinikä, se näkyy lähinnä ekologisina vaikutuksina biomassan muutoksessa. Vaihtelun aallonpituuden ja amplitudin yhdistelmä määrää muutoksen suunnan. Lopuksi tutkitaan yhden lajin ja ekosysteemin välistä yhteyttä lisäämällä vieraslaji ravintoverkkomalliin. Vieraslaji aiheuttaa alhaalta ylöspäin menevän vaikutuksen, joka näkyy biomassan vähenemisenä. Tämä vaikutus näkyy mallin kaikilla trofiatasoilla, myös ravintoverkon huipulla olevissa kaloissa. Tämä tutkimus paljastaa aiemmin tuntemattomia tai huonosti ymmärrettyjä yhteyksiä biologisten organisaatioiden eri tasojen välillä. Nämä tulokset auttavat meitä suojelemaan vesiluontoamme paremmin.