Unravelling causes and consequences of marine biodiversity changes in East Atlantic and Mediterranean ecosystems

Abstract

[eng] Marine communities have been affected by multiple stressors increasing over the last decades, such as overfishing and climate change, resulting in negative effects throughout ecosystems. However, these impacts do not have homogeneous effects globally. Instead, systems across regions experience different impacts and rates of change shaped both by regional and global drivers. Furthermore, organisms within the same community can suffer from different impacts or respond to the same impact in distinct ways due to different ecological traits or life history strategies. These responses can include reductions or increments in the abundance of the populations of affected species, with the term "winners" often used to refer to organisms that may benefit from global change. Another common response, especially to warming, is shifts in distribution ranges. These shifts can be latitudinal, migrating northwards, or vertical, moving towards deeper waters. Previous studies have addressed these processes mainly focusing on abundance and biomass displacements, but a holistic approach that considers several aspects of the ecosystem, such as production, biodiversity and trophic characteristics across different taxonomic groups is still missing. The main goal of this P.hD.was establishing a comparison of areas within the Atlantic and Mediterranean by using an integrative analysis of indicators, calculated from data collected from scientific bottom trawl surveys, and species groups in order to achieve a better understanding of ongoing spatiotemporal changes. Several types of indicators were considered to analyse different aspects of ecosystem functioning and dynamics. To reflect the variety of responses and calculate these indicators, three taxonomic groups were considered (fishes, cephalopods, and crustaceans), in which several traits were analysed. Spatial variability was accounted both at the regional scale by comparing different subregions of the Western Mediterranean and at the oceanic scale with a study comparing the Barents Sea, North Sea, Western Mediterranean, and South African coast. To do that, complementary methods were applied for addressing several specific questions regarding the distribution and ecosystem dynamic. Analyses of subregional differences and temporal trends in the Western Mediterranean were performed using ANOVA and linear regressions, respectively. Then, the relationship between ecological indicators and environmental variables and fishing were studied using Generalised Additive Models (GAMs) to assess the status of alleged taxa winners in the Western Mediterranean and test for bathymetric changes in the indicators in the East Atlantic areas and the Mediterranean Sea. Several regional patterns were detected in the Western Mediterranean, often following the latitudinal gradient of temperature within the area. However, in many cases, interrupted or even discontinuous gradients were reported, due to localised variability in the environment and/or human impacts, especially on the North Catalan coast. In terms of taxa, fishes showed negative trends in most indicators, while cephalopods and crustaceans experienced more favourable results. Despite this, a detailed examination of cephalopods signalled the possibility of negative effects of increasing temperatures beyond certain thresholds. In the East Atlantic and Mediterranean Sea comparison, temporal changes in depth range were reported in several indicators in accordance with the Depth Refuge hypothesis, although they did not follow large-scale gradients but were influenced by the conditions and characteristics of individual regions. Overall, this Ph.D. reveals the existence of numerous spatial patterns and temporal trends regarding marine biodiversity and emphasises the unequal responses to both environmental drivers and anthropogenic pressures among the considered ecological groups. These differences were further signalled by the variation and interrelationship of several indicators, often related to recorded shifts in the community, such as the functional changes in the North Sea and Barents Sea, the eastward migrations occurring in South Africa, or the complex sub-regional combination of fishing and environmental impacts observed over the Western Mediterranean. Overall, these results highlight that environmental change impacts may have notable consequences for ecosystem composition at several scales. The use of ecological indicators and taxonomic groups was proven to be a useful tool to further my understanding on the ongoing marine changes as well as their extent and implications.

[spa] Las comunidades marinas se han visto afectadas por el incremento de múltiples estresores durante las últimas décadas, como la sobrepesca y el cambio climático, generando efectos negativos en los ecosistemas. Sin embargo, dichos impactos no tienen efectos homogéneos globalmente. En su lugar, los sistemas a lo largo de regiones experimentan diferentes impactos y tasas de cambio influenciadas por drivers regionales y globales. Además, organismos dentro de la misma comunidad pueden sufrir diferentes impactos o responder al mismo impacto de diferente forma debido a sus diferencias en rasgos ecológicos o estrategias vitales. Estas respuestas pueden incluir reducciones o incrementos en la abundancia de las poblaciones de especies afectadas, siendo frecuentemente usado el término “ganadores” para referirse a aquellos organismos que puedan ser beneficiados por el cambio global. Otra respuesta común, especialmente al calentamiento, son los cambios en rangos de distribución. Estos cambios pueden ser latitudinales, migrando hacia el norte, o verticales moviéndose a aguas mas profundas. Estudios previos han abordado dichos procesos enfocándose principalmente en desplazamientos de la abundancia y biomasa, pero aún hace falta una estrategia holística que considere varios aspectos del ecosistema tales como producción, biodiversidad y características tróficas en varios grupos taxonómicos. El objetivo principal de este P.hD. ha sido establecer una comparación entre áreas del Atlántico y Mediterráneo utilizando un análisis integrador de indicadores, calculados con datos de campanas de arrastre científico, y grupos de especies para conseguir un mejor entendimiento de los cambios espaciotemporales. Varios tipos de indicadores fueron considerados para analizar diferentes aspectos del funcionamiento y dinámica de los ecosistemas. Para reflejar la variedad de respuestas y calcular dichos indicadores, se consideraron tres grupos taxonómicos (peces, cefalópodos y crustáceos), de los que se analizaron varios rasgos. La variabilidad espacial fue tenida en cuenta tanto a escala regional comparando diferentes regiones del Mediterráneo Oeste como a escala oceánica con un estudio comparando el Mar de Barents, el Mar del Norte, el Mediterráneo Oeste y la costa de Sudáfrica. Para ello, métodos complementarios han sido aplicados para abordar varias cuestiones específicas sobre la distribución y dinámica de los ecosistemas. Se realizaron análisis de diferencias subregionales y tendencias temporales en el Mediterráneo Oeste usando ANOVA y regresiones lineares, respectivamente. Luego la relación entre diferentes indicadores ecológicos y variables ambientales y pesca se estudiaron usando Modelos Aditivos Generalizados (GAMs) para determinar el status de supuestos taxones ganadores en el Mediterráneo Oeste y testear los cambios batimétricos en áreas del Atlántico Este y el Mar Mediterráneo. Varios patrones regionales fueron detectados en el Mediterráneo Oeste, siguiendo el gradiente latitudinal de temperatura presente en el área. Sin embargo, en muchos casos, se reportaron gradientes interrumpidos e incluso discontinuos, debido a la variabilidad local de impactos ambientales y/o humanos, especialmente en la costa catalana norte. En términos de taxones, los peces mostraron tendencias negativas en la mayoría de indicadores, mientras que cefalópodos y crustáceos experimentaron resultados más favorables. A pesar de esto, un examen detallado de los cefalópodos señaló la posibilidad de efectos negativos del incremento de temperaturas pasados ciertos límites. En la comparación del Atlántico Este y el Mar Mediterráneo, se reportaron cambios temporales en el rango batimétrico para varios indicadores de acuerdo con la Hipótesis de Refugio Profundo, aunque en lugar de seguir gradientes a gran escala estaban influenciados por condiciones y características de las regiones individuales. En resumen, este Ph.D. revela la existencia de numerosos patrones espaciales y tendencias temporales sobre la biodiversidad marina enfatizando las respuestas desiguales a drivers ambientales y presiones antropogénicas en los grupos ecológico. Dichas diferencias fueron también señaladas por la variación e interrelación entre varios indicadores, muchas veces relacionados con cambios registrados en la comunidad, como los cambios funcionales en el Mar de Barents y el Mar del Norte, las migraciones hacia el este ocurridas en Sudáfrica o la compleja combinación subregional de impactos pesqueros y ambientales observada en el Mediterráneo Oeste. Estos resultados subrayan que el impacto del cambio ambiental puede tener notables consecuencias para la composición ecosistemica a varias escalas. El uso de indicadores ecológicos y grupos taxonómicos ha probado ser una herramienta útil para un mayor entendimiento de los cambios ocurriendo actualmente en el mar, así como su extensión e implicaciones.