Biodiversity is 3-D

A new study sheds light on the relationship between diversity and 3-D space as a global ecological pattern

 

[Italian version below]

The species-area relationship (SAC) is a long-time considered pattern in ecology and is discussed in most of academic Ecology books. Its implications are relevant for many ecological, evolutionary, conservation and biogeographic purposes. Conversely, the associated volume-species relation has been almost ignored. Nevertheless, according to a new study published in the journal Plant Ecology (Cazzolla Gatti R. , Di Paola A., Bombelli A., Noce S., Valentini R. Exploring the relationship between canopy height and terrestrial plant diversity. Plant Ecology, 2017 doi:10.1007/s11258-017-0738-6) this relationship may play a fundamental role in ecology and it is relevant for many different ecological applications, such as the estimation of minimum viable populations, species ranges, protected areas, etc. In this global-scale study, Roberto Cazzolla Gatti, Ph.D., Associate Professor at Biological Institute of the Tomsk State University (Russia) and his Italian colleagues from the Euro-Mediterranean Center on Climate Change (CMCC) in Viterbo, investigated such new perspective looking at canopy height as a proxy of ecosystem volume (“biospace”), which influences plant richness in forest ecosystems.

Some decades ago, the Italian forest ecologist Lucio Susmel developed the idea of “biospace” and stated that “the features of multi-aged forest are a function of the aboveground biospace, modified by plants and animals living in a physical environment”. The Italian ecologist suggested that “[Biospace may be defined as a] protected space within which it is possible to play all physiological, biological and evolutionary processes of a community […] the parameter most appropriate for assessing the biospace is the volume of the system that can be measured by the average height of the dominant trees”.

Up to date, the difficulty to detect tree’s height by ground and the lack of a comprehensive global flora census has impeded to define a general pattern of forest ecosystem volume and species diversity. Only the recent developments of new powerful technologies, such as Light Detection and Ranging (LiDAR), allowed to map forest vertical structure globally. Together with the availability of new accurate botanical data, such as the NASA Canopy Height Global Map, which is a novelty in satellite technology combined with field analyses, this opens incredible opportunities in ecology. “We investigated – explained Prof. Roberto Cazzolla Gatti – a possible global relation between species richness and canopy height by comparing the high resolution Global Map of Canopy Height provided by NASA with the Plant Diversity Map produced by Barthlott and colleagues in 2007”.

Eventually, the results of this study show that higher canopies account for more plant species: there is a third dimension fully exploitable by the species. This is certainly because larger volumes can contain larger numbers of species, but it is not only a matter of the available space.

“I came across this idea – revealed Prof. Cazzolla Gatti – working for many years in tropical, temperate and boreal forests. I wondered why higher canopies are almost always positively associated with higher level of biodiversity. If the reason were only the climate, which is able to increase both trees height and biodiversity, we would have found within the same climatic strip around the world similar level of diversity in forests with different canopy heights. This wasn’t the case: although climatic conditions are the same biodiversity increases when canopy rises up”.

The study suggest that this positive correlation between biodiversity and canopy height is due to the increased biospace: the larger the volume of a forest ecosystem, the more layers and ecological conditions (light, humidity, food resources, water availability, climbing opportunity for lianas, presence of epiphytes, ferns, etc.) that diversify the environment. This is also offers an empirical proof to the hypotheses developed during the last years by Prof. Cazzolla Gatti about the emergence of new niches biodiversity-related, i.e. the idea that biodiversity begets biodiversity (Cazzolla Gatti 2011 in Theoretical Biology Forum; Cazzolla Gatti 2016 in Biologia; Cazzolla Gatti et al. 2017 in Ecological Modelling).

The relationship between biodiversity and canopy height is particularly evident in tropical regions. In fact, according to the latitudinal gradient theory, tropical rainforests are, on average, taller than temperate ones, and therefore offer more space for physiological, biological and evolutionary processes of the community. This feature allows species with distinct traits to coexist and begets the emergence of new niches that increases the richness of a more stratified ecosystem.

However, because both climatic and latitudinal gradients could veiled and correlate with forest height and diversity, Cazzolla Gatti and colleagues disentangled their hypothesis of a pure

canopy height-diversity relation by analysing it within different macroclimate zones according to the Koppen-Geiger climate classification. This classification reflects a latitudinal zonation and allows to remove the climatic influence from the canopy height-diversity relationship. However, the relationship was observed in each of the three main climate zone and this confirmed that canopy height influences species diversity irrespective of other factors such as precipitation and temperature (i.e. climate).

Roberto Cazzolla Gatti commented: “The relation between canopy height and biodiversity has been poorly considered to date, even if it can play a significant role in ecology. Indeed, the vertical dimension of ecosystems, as a proxy of the biospace, should be considered together with the well-known species-area relationship. Moreover, the relation we discovered is fundamental for setting protected areas extensions, when the bi-dimensional available environment should not be considered alone, but associated with the three-dimensional ecological volume. In this era of climatic changes and anthropogenic pressures, high rates of species are exposed to an extinction risk. Under the urgent need of species conservation and climate mitigation, 3D is not only a fun or an innovative technological approach, but a new way to look at the natural dynamics to better plan the study and protection of ecosystems”.

After this study, the true discover will be to read, finally, in the next Ecology books that biodiversity is 3D!

Published on EurekaAlert.org on June, 9 2017


[Italian version]

La biodiversità è 3-D

pubblicato su Villaggio Globale Rivista di Giugno 2017

Un nuovo studio getta luce sul rapporto tra la diversità e lo spazio tridimensionale come un modello ecologico globale. Dopo questo studio, la vera scoperta sarà quella di leggere nei prossimi libri di ecologia che la biodiversità è in 3D, perché avremo finalmente imparato a volare sfruttando il punto di vista delle altre specie e non solo a camminare con i paraocchi umani

 

Siamo così abituati a camminare in orizzontale che spesso non ci accorgiamo di ciò che accade sulla nostra testa. E spesso non se ne accorgono nemmeno gli scienziati. La relazione specie-area è considerata da molto tempo un modello in ecologia e viene presentata dalla maggior parte dei manuali accademici di ecologia. Le sue implicazioni sono rilevanti per vari scopi ecologici, evolutivi, conservazionistici e biogeografici. Al contrario, il rapporto tra volume e specie è stato quasi del tutto ignorato. Tuttavia, secondo un nuovo studio pubblicato sulla rivista «Plant Ecology» (Cazzolla Gatti R., Di Paola A., Bombelli A., Noce S., Valentini R. Exploring the relationship between canopy height and terrestrial plant diversity. Plant Ecology, 2017 doi:10.1007/s11258-017-0738-6) questa relazione può svolgere un ruolo fondamentale in ecologia ed è rilevante per diverse applicazioni ecologiche, come ad esempio la stima delle popolazioni minime vitali, dell’estensione degli habitat delle specie, delle aree protette, etc. In questa ricerca su scala globale abbiamo studiato questa nuova prospettiva guardando altezza della canopea come fattore relativo al volume di un ecosistema («biospazio»), che influenza la ricchezza delle foreste.

Alcuni decenni fa, l’ecologista forestale italiano Lucio Susmel sviluppò l’idea di «biospazio» e suggerì che «le caratteristiche di foresta multi-età sono una funzione del biospazio, modificato da piante e animali che vivono in un ambiente fisico». L’ecologista italiano propose che «[Il biospazio può essere definito come uno] spazio protetto entro il quale è possibile riprodurre tutti i processi fisiologici, biologici ed evolutivi di una comunità […] il parametro più adeguato per valutare il biospazio è il volume del sistema che può essere misurato con l’altezza media degli alberi dominanti».
Fino ad oggi, la difficoltà di rilevare l’altezza degli alberi da terra e la mancanza di un censimento completo della flora globale ha impedito di definire una relazione generale tra il volume degli ecosistemi forestali e la diversità delle specie. Solo il recente sviluppo di nuove potenti tecnologie, come il Light Detection and Ranging (Lidar), ha permesso di mappare la struttura verticale delle foreste a livello globale. Insieme alla disponibilità di nuovi dati botanici precisi, come ad esempio la mappa globale dell’altezza della canopea prodotta dalla Nasa, che è una novità nella tecnologia satellitare, ha aperto incredibili opportunità in ecologia. Grazie alle analisi effettuate insieme ai colleghi del Centro Euro-Mediterraneo per i Cambiamenti Climatici (Cmcc), abbiamo studiato una possibile relazione globale tra ricchezza di specie e l’altezza della canopea forestale confrontando la Mappa alta globale ad alta risoluzione fornita dalla Nasa con la mappa della diversità floristica prodotta da Barthlott e colleghi nel 2007.
Alla fine, i risultati di questo studio mostrano che canopee più alte contengono più specie piante: c’è una terza dimensione pienamente sfruttabile dalla specie. Questo è certamente dovuto al fatto che volumi ecologici più grandi possono contenere un maggior numero di specie, ma non è solo una questione di spazio disponibile.
Mi sono imbattuto in questa idea lavorando per molti anni nelle foreste tropicali, temperate e boreali. Mi sono chiesto perché foreste più alte sono quasi sempre positivamente associate a livelli maggiori di biodiversità. Se il motivo fosse solo il clima, che è in grado di aumentare sia l’altezza gli alberi sia la biodiversità, avremmo trovato all’interno della stessa fascia climatica intorno al mondo livelli simili diversità, ma in foreste con diverse altezze della canopea. Questo non è avvenuto: anche se le condizioni climatiche sono le stesse la biodiversità aumenta quando la canopea è più alta.
Il nostro studio suggerisce che la correlazione positiva tra la biodiversità e l’altezza della canopea forestale è dovuta al maggiore biospazio: maggiore è il volume di un ecosistema forestale, più strati e maggiori condizioni ecologiche (luce, umidità, risorse alimentari, disponibilità di acqua, quantità di liane, presenza di epifite, felci, etc.) che diversificano l’ambiente sono presenti. Questa evidenza offre anche una prova empirica alle ipotesi sviluppate nel corso degli ultimi anni circa l’emergere di nuove nicchie dipendenti dalla biodiversità, ovvero l’idea che la biodiversità genera biodiversità (Cazzolla Gatti 2011 in Theoretical Biology Forum; Cazzolla Gatti 2016 in Biologia; Cazzolla Gatti et al. 2017 in Ecological Modelling).
Il rapporto tra biodiversità e altezza della canopea è particolarmente evidente nelle regioni tropicali. Infatti, secondo la teoria del gradiente latitudinale, le foreste tropicali sono, in media, più alte di quelli temperate e quindi offrono più spazio per i processi fisiologici, biologici ed evoluzionistici della comunità. Questa caratteristica permette a specie con tratti distintivi di coesistere e genera l’emergere di nuove nicchie che aumentano la ricchezza di un ecosistema più stratificato.
Tuttavia, poiché entrambi i gradienti climatico e latitudinale potrebbero velare e correlare con l’altezza della foresta e la biodiversità, abbiamo testato la nostra ipotesi di una relazione pura tra altezza della canopea e diversità analizzandola entro diverse zone macroclimatiche, secondo la classificazione climatica di Koppen-Geiger. Questa classificazione riflette una zonazione latitudinale e consente di rimuovere l’influenza climatica dal rapporto altezza della canopea-diversità. Nonostante ciò, il rapporto è stato osservato in ciascuna delle tre zona climatiche principali e questo ha confermato che altezza della chioma influenza la diversità specifica indipendentemente da altri fattori, come la precipitazione e la temperatura (cioè il clima).
Il rapporto tra altezza della canopea e la biodiversità è stato scarsamente considerato fino ad oggi, anche se può svolgere un ruolo significativo in ecologia. Infatti, la dimensione verticale degli ecosistemi va considerata congiuntamente alla ben nota relazione specie-area. Inoltre, la relazione che abbiamo scoperto è fondamentale per definire l’estensione delle aree protette, poiché l’ambiente bidimensionale disponibile non deve essere considerato da solo, ma associato con il volume ecologico tridimensionale. In questa epoca di cambiamenti climatici e pressioni antropiche, la maggior parte delle specie è esposta a un alto rischio di estinzione. Pressati dall’urgente necessità di conservazione delle specie e della mitigazione del clima, il 3D non è solo un divertimento o un approccio tecnologico innovativo, ma un nuovo modo di guardare le dinamiche naturali per pianificare meglio lo studio e la protezione degli ecosistemi.
Dopo questo studio, la vera scoperta sarà quella di leggere nei prossimi libri di ecologia che la biodiversità è in 3D, perché avremo finalmente imparato a volare sfruttando il punto di vista delle altre specie e non solo a camminare con i paraocchi umani.

Roberto Cazzolla Gatti, Ph.D.,
Biologo ambientale ed evolutivo,
Professore associato in biodiversità ed ecologia,
Tomsk State University, Russia

 

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