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Temperature-Related Stresses as a Unifying Principle in Ancient Extinctions

Combined with local and regional anthropogenic factors, current human-induced climate warming is thought to be a major threat to biodiversity. The ecological imprint of climate change is already visible on land and in the oceans. The imprint is largely manifested in demographic/abundance changes and phenological and distribution shifts, whereas only local extinctions are yet attributable to climate change with some confidence. This is expected to change in the near future owing to direct heat stress, shortage of food, mismatches in the timing of seasonal activities, geographic barriers to migration, and new biological interactions. Additional stressors are associated with climate warming in marine systems, namely acidification and deoxygenation. Ocean acidification is caused by the ocean’s absorption of CO2 and deoxygenation is a result of warmer water, increased ocean stratification and upwelling of hypoxic waters. The combination of warming, acidification and deoxygenation is known as the „deadly trio“. Temperature is the most pervasive environmental factor shaping the functional characteristics and limits to life and is also central to the generation and biological effects of hypoxic waters and to modulating the effects of ocean acidification, with and without concomitant hypoxia. Due to the key role of temperature in the interaction of the three drivers we termed these temperature-related stressors (TRS).

  • Deep origins of marine trophic networks
    (FAU Funds)
    Laufzeit: 01.01.2017 - 28.02.2018
  • Constraining the deep origin of metazoan parasitism through integration of Evolutionary Parasitology and Molecular Paleobiology
    (FAU Funds)
    Laufzeit: 01.01.2017 - 31.03.2018
  • Abiotische und biotische Steuerungen auf Conodonten-Körpergröße und Zahnmorphologie als Proxies für ihre Nahrungsökologie
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 01.09.2016 - 31.08.2019
    Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    Vor dem Auftreten von kiefertragenden Fischen waren Conodonten die häufigsten und diversesten Räuber der frühpaläozoischen Ozeane. Ihre phosphatischen Zähne sind zahlreich in oberkambrischen bis triassischen marinen Gesteinen vorhanden. Aufgrund ihrer außerordentlich schnellen morphologischen Evolution haben sich Conodonten als wichtiges Instrument der Biostratigraphie etabliert. Jedoch bleibt die Nahrungsökologie unbekannt, die zu dieser schnellen Diversifizierung von nahrungsverarbeitenden Strukturen führte.Die Kernfrage dieses Projekts ist: Inwiefern lässt sich von der Morphologie von Conodonten auf deren trophische Position, Ernährungsweise und Umweltbedingungen schließen? Dieses Projekt wird quantitative Proxies für die Untersuchung von Conodonten-Zähnen entwickeln und Modelle für ihre Variabilität in Abhängigkeit von der abiotischen Umwelt (Lithofazies) und biotischen Interaktionen (Struktur der Lebensgemeinschaft) liefern. Zahngröße wird als Proxy für die Körpergröße der Beute quantifiziert und die Dicke des biomineralisierten Gewebes als Indikator für Durophagie verwendet. Diese Parameter werden anhand gut dokumentierter Umweltgradienten in der mittelsilurischen Karbonatplattform in Gotland, Schweden, untersucht. Das Projekt ermöglicht die Unterscheidung zwischen ökophänotypischer Variabilität und mikroevolutionären Mustern. Durch das Testen ökologischer Modelle, abgeleitet von anderen Faunengruppen, werden die wichtigsten Steuerelemente dieser Variabilität identifiziert, z.B. die Beziehung zwischen der Verteilung der Körpergröße in einer Gemeinschaft und die Länge der trophischen Kette. Durch Anwendung geochemischer Proxies für die trophische Ebene einzelner Organismen werden diese Modelle unabhängig getestet. Dieses Projekt wird den Rahmen bilden, in dem die morphologische Diversität von Conodonten über geologische Abfolgen interpretiert werden und in ökophänotypische Variabilität und evolutionäre Muster eingeteilt werden kann.
  • Größenveränderungen von Cephalopoden während der Pliensbachium-Toarcium Krise
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: Temperature-related stresses as a unifying principle in ancient extinctions (TERSANE)
    Laufzeit: 01.08.2016 - 31.07.2019
    Mittelgeber: DFG / Forschergruppe (FOR)
    Die Reduzierung der Körpergröße innerhalb von Taxa wird als eine der wichtigsten Antworten in Hinblick auf klimaabhängigen Stressfaktoren gesehen. Trotz der üblichen Deutungen bei ähnlichen Größenveränderungen im Umfeld verschiedener Massenaussterbeereignisse werden ihre globale Bedeutung ebenso wie ihre damit verbunden Mechanismen diese Lilliput-Effekts nach wie vor kontrovers diskutiert. Das Projekt hat zum Ziel, die Rolle der Erwärmung und damit verbundener Stressfaktoren (Anoxia) in Hinblick auf Größenänderungen von marinen Organismen während der unterjurassischen Faunenkrise im Toarcium zu verstehen. Wir betrachten Cephalopoden aus W-Europa und NW-Afrika entlang eines N/S-Gradienten, um Größenverteilungsmuster von einzelnen Taxa bis zu Vergesellschaftungen zu untersuchen. Die erhaltenen Muster werden in Hinblick auf Fazies, physiko-chemische Proxies und physiologische Vorhersagen gründlich analysiert, um die Korrelation von Körpergröße und Umweltparametern, wie Temperatur, Sauerstoffverfügbarkeit und Produktion/Einlagerung von organischem Kohlenstoff zu testen
  • Temperature-related stresses as a unifying principle in ancient extinctions
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: FOR 2332: Temperature-related stresses as a unifying principle in ancient extinctions (TERSANE)
    Laufzeit: 01.07.2016 - 30.06.2019
    Mittelgeber: DFG / Forschergruppe (FOR)
    URL: https://www.gzn.fau.de/palaeoumwelt/projects/tersane/index.html
    Combined with local and regional anthropogenic factors, current human-induced climate warming is thought to be a major threat to biodiversity. The ecological imprint of climate change is already visible on land and in the oceans. The imprint is largely manifested in demographic/abundance changes and phenological and distribution shifts, whereas only local extinctions are yet attributable to climate change with some confidence. This is expected to change in the near future owing to direct heat stress, shortage of food, mismatches in the timing of seasonal activities, geographic barriers to migration, and new biological interactions. Additional stressors are associated with climate warming in marine systems, namely acidification and deoxygenation. Ocean acidification is caused by the ocean's absorption of CO2 and deoxygenation is a result of warmer water, increased ocean stratification and upwelling of hypoxic waters. The combination of warming, acidification and deoxygenation is known as the "deadly trio". Temperature is the most pervasive environmental factor shaping the functional characteristics and limits to life and is also central to the generation and biological effects of hypoxic waters and to modulating the effects of ocean acidification, with and without concomitant hypoxia. Due to the key role of temperature in the interaction of the three drivers we termed these temperature-related stressors (TRS).
  • FOR 2332: Temperature-related stresses as a unifying principle in ancient extinctions (TERSANE)
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Gesamtprojekt)
    Laufzeit: 01.01.2016 - 01.01.2019
    Mittelgeber: DFG / Forschergruppe (FOR)
    Anthropogenic global warming is regarded as a major threat to species and ecosystems worldwide. Predicting the biological impacts of future warming is thus of critical importance. The geological record provides several examples of mass extinctions and global ecosystem pertubations in which temperature-related stresses are thought to have played a substantial role. These catastrophic natural events are potential analogues for the consequences of anthropogenic warming but the Earth system processes during these times are still unexplored, especially in terms of their ultimate trigger and the extinction mechanisms. The Research Unit TERSANE aims at assessing the relative importance of warming-related stresses in ancient mass extinctions and at evaluating how these stresses emerged under non-anthropogenic conditions. An interdisciplinary set of projects will combine high-resolution geological field studies with meta-analyses and sophisticated analysis of fossil occurrence data on ancient (suspect) hyperthermal events to reveal the rate and magnitude of warming, their potential causes, their impact on marine life, and the mechanisms which led to ecologic change and extinction. Geochemistry, analytical paleobiology and physiology comprise our main toolkit, supplemented by biostratigraphy, sedimentology, and modelling.
  • Biologische Konsequenzen von temperaturbedingten Stressfaktoren über mehrere Zeitskalen
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: Temperature-related stresses as a unifying principle in ancient extinctions (TERSANE)
    Laufzeit: 01.01.2016 - 01.01.2019
    Mittelgeber: DFG / Forschergruppe (FOR)
    Die Kenntnis der physiologischen Toleranzgrenzen rezenter Arten ist eine Grundvoraussetzung für die Interpretation der Reaktion fossiler Organismen auf temperaturbedingte Stressfaktoren. Umgekehrt kann die Vorhersage der biologischen Konsequenzen des aktuellen Klimawandels von der Kenntnis fossiler Muster der Erdgeschichte profitieren. Eingebettet in die Forschergruppe TERSANE schlagen wir ein Projekt vor, das explizit neontologische und paläontologische Ansätze kombiniert und die Konsequenzen von Erwärmung, Ozeanversauerung und Sauerstoffarmut auf marines Leben zu beurteilen. Unser Projekt fokussiert auf die Kompilation und Analyse von großen Datensätzen und hat drei wesentliche Komponenten: (1) Eine Meta-Analyse von (a) heutigen Organismen wird experimentelle und Beobachtungsdaten zur Reaktionen und Toleranzgrenzen von marinen Organismen auswerten und die Empfindlichkeit höherer, fossil überlieferter Taxa in Bezug auf Erwärmung, Ozeanversauerung und Sauerstoffknappheit in ihrer Synergie zu quantifizieren, während (b) eine Meta-Analyse fossiler Daten auf die Beurteilung des Liliput-Effekts abzielt, der plakativ die Verkleinerung von Körpergrößen im Gefolge von Massenaussterben umschreibt und manchmal auf temperaturbedingte Stressfaktoren zurückgeführt wird. (2) Die Analyse von Primärdaten aus dem Fossilbericht dient der Evaluation der physiologischen und biogeographischen Selektivität der end-Permischen und unterjurassischen Aussterbeereignisse um zu testen, ob die physiologischen Prinzipien, die aus heutigen Beobachtungen abgeleitet wurden, skalenunabhängig auch auf Aussterberisiken bei extremem Klimawandel angewandt werden können. (3) Die Beurteilung fossiler Raten von Umweltveränderungen ist wichtig, um zu testen, ob die damaligen Raten tatsächlich viel geringer waren als zum Beispiel in den letzten 50 Jahren gemessen wurde. Alternativ sind die geringeren Raten aus der geologischen Überlieferung nur eine statistisches Artefakt aus den verschiedenen Beobachtungszeitskalen. Eine skalenbereinigte Ratenanalyse wird helfen, die Daten aus der erdgeschichtlichen Vergangenheit besser für die heutige Ökologie des globalen Wandels verwertbar zu machen. Diese drei Komponenten werden schließlich integriert um die Gemeinsamkeit der Muster und öko-physiologischen Selektivität von Artensterben zu beurteilen, wie sie sich heute und im Fossilbericht abzeichnen.
  • Charakterisierung, Langzeitverhalten und Engineering des Reservoirs zur Minimierung des Fündigkeitsrisikos
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: Geothermie-Allianz Bayern (GAB)
    Laufzeit: 01.01.2016 - 31.12.2019
    Mittelgeber: Bayerisches Staatsministerium für Bildung und Kultus, Wissenschaft und Kunst (ab 10/2013)
    Das bayerische Molassebecken ist bislang das einzige Vorlandbecken weltweit aus dem erfolgreich geothermisch Strom und Wärme produziert wird. Die Machbarkeit der geothermischen Energiegewinnung aus niederen Temperaturen von etwa 150°C ist damit bewiesen und die Geothermie hat damit das Potenzial, einen wesentlichen Anteil des Energiebedarfs in Bayern regenerativ abzudecken.
    Die Erfahrungen aus den bisherigen installierten oder in der Entwicklung befindlichen Geothermiefeldern zeigen aber auch, dass wesentliche Fragen in der geothermischen Technologienentwicklung bislang nicht geklärt werden konnten. So sind für die Planung und Durchführung von Geothermie-Projekte hohe Investitionen notwendig, die insbesondere am Beginn des Projekts durch die Niederbringung der Bohrungen erforderlich sind. Ob und in welchem Maße ein Geothermie-Projekt wirtschaftlich erfolgreich ist hängt unmittelbar mit Risiken bei der geologischen Erschließung und deren Fündigkeit zusammen. So entstanden
    in der Vergangenheit durch nicht erfolgreiche Bohrungen bzw. dem Verfehlen von wirtschaftlich
    gesetzten Zielen bei Geothermie-Projekten Unsicherheiten für Investoren, Versicherer
    und Betreiber. Eine optimierte Explorationsstrategie und ein verbessertes Verständnis der hydrogeologischen und thermischen Ausprägung des Reservoirs sollen das Bohr- und Fündigkeitsrisiken senken, die Planungssicherheit erhöhen und damit die Attraktivität der Geothermie für Investoren steigern. Die Kenntnis des langfristigen dynamischen Verhaltens des Reservoirs bezüglich der nutzbaren Volumenströme und thermischen Entwicklung bietet zudem eine höhere Sicherheit für die Planung der Wirtschaftlichkeit geothermischer Anlagen und Optimierungsmöglichkeiten ihrer Betriebsweise.

    Eine systematische wissenschaftliche Begleitung von Geothermieprojekten und die daraus zu gewinnenden Rückschlüsse auf das Reservoir und deren Fündigkeit bis hin zu einem Testfeld für
    geothermische Technologienentwicklung, die von der Erkundung und Bohrung bis zur Reservoir-
    Evaluierung und dem Reservoir-Engineering reicht, fehlen bislang. Das vorliegende Forschungsprojekt soll diese relevanten Fragestellungen aufgreifen und beantworten.Die übergeordneten Ziele des vorliegenden Projektes sind das Risiko für eine geothermische Fündigkeit im süddeutschen Molassebecken zu reduzieren und Unsicherheiten des Reservoir-Engineering und des geothermischen Langzeitbetriebs einzuschränken und somit den Betrieb zu optimieren.

  • Evolution der tropischen marinen Biodiversität: vergleichende Analyse der triassischen Fauna der Cassian Formation mit modernen Faunen
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 01.05.2015 - 01.05.2018
    Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    Die triassische Cassian Formation birgt eine außerordentlich diverse marine tropische Invertebratenfauna, die ein weitgehend unverzerrtes Bild der Diversität und Komplexität frühmesozoischer Ökosysteme bietet. Die Fauna setzt sich aus etlichen Assoziationen von verschiedenen Lokalitäten mit unterschiedlichen Paläoumweltbedingungen zusammen, die bezüglich Diversität und Artenspektrum erheblich variieren. Die Erhaltung der Fossilien ist gewöhnlich sehr gut einschließlich Aragoniterhaltung und einer reichen Fauna kleinwüchsiger Arten. Basierend auf umfangreichen Proben, die auf standardisierte Weise entnommen und aufgeschlossen werden, wollen wir die Diversität dieser Proben möglichst vollständig erfassen. Neben der Diversität der einzelnen Proben (Alphadiversität) werden wir die Diversitäten zwischen den Proben ermitteln (Betadiversität). Somit erfassen wir Komplexität, taxonomische Struktur und Größenverteilungen der Organismen eines frühmesozoischen tropischen marinen Ökosystems. Vergleiche mit Vergesellschaftungen aus rezenten und quartären tropischen Habitaten werden Schlussfolgerungen über den biologischen Wandel tropischer Ökosysteme seit mehr als 200 Millionen Jahren ermöglichen. Vergleiche mit bereits existierenden Daten über fossile, diagenetisch stärker verzerrte (`normale´) marine Faunen ermöglichen eine Abschätzung, wie taphonomische Prozesse sich auf die überlieferte Diversität, Größenverteilung und ökologische Struktur auswirken. Viele der Invertebratengruppen, die in rezenten tropischen marinen Ökosystemen hochdivers sind (z. B. heterodonte Muscheln und Neogastropoden) radiierten nicht vor der Kreide. Wir wollen prüfen, ob ähnlich diverse Gruppen bereits in der Trias existierten oder ob sich die Diversität gleichmäßiger auf höhere Taxa verteilte.
  • Biogeographische und ökologische Reaktionen von Riffkorallen auf interglaziale Erwärmungsphasen im Pleistozän
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 01.09.2014 - 01.09.2017
    Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
  • Paläobiodiversität und Faunenstruktur in Lagerstätten während der permo-karbonen Vereisung und die Reaktion des marinen wirbellosen Benthos auf globale Abkühlung
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 01.07.2014 - 01.07.2017
    Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    Paleo-biodiversity studies have become of increasing interest and numerous manuscripts have been published dealing with global diversity trends throughout the Phanerozoic. However, data used in these studies mostly derive from databases that may contain various biases and therefore distort statistical analysis. Moreover, Fossil Lagerstätten are commonly excluded although the quality of preservation and information is much better than in other deposits - fossil assemblages from Lagerstätten reflect the composition of former living communities to a much higher degree.The Phanerozoic is marked by two long-term cooling events. One of these is the Late Paleozoic Ice Age (LPIA) with its major onset in the middle to late Mississippian (Lower Carboniferous) and ending in the mid-Sakmarian (Permian). This project focuses on the paleo-biodiversity during the Upper Carboniferous (Pennsylvanian), i.e. during a large part of the LPIA. Instead of purely using information from databases three fossil Lagerstätten (here Lagerstätten is used in terms of exceptionally preserved fauna; e.g. original shell material, color patterns, delicate ornamentation, minute larval shells) are sampled. These localities were influenced by the glacio-eustatic regime during the LPIA and are, from the American Midcontinent, the Finis Shale (Virgilian) and the Buckhorn Asphalt Quarry (Desmoinesian) and, from the Appalachian Basin, the Kendrick Shale (Morrowan).One objective of this project is to study true biodiversities and ecological structures within deposits of exceptionally preserved fossils based on the fact that such deposits depict a more complete image of the original fossil assemblage than other localities. Stanley & Powell (2003) found that during the Pennsylvanian the rates of origination and extinction were depressed and that the global biodiversity remained relatively stable, whereas Alroy et al. (2008) found a general decrease in this period. Therefore, as the second objective, it will be tested if these previous results are visible in Lagerstätten from the Pennsylvanian as well: Do we also see depressed origination and extinction rates or decreasing biodiversity or are the results presented by Stanley & Powell (2003) and Alroy et al. (2008) caused by biases in their data, as for example by faunas of less quality of preservation? Furthermore, diversity dynamics will be studied by analyzing the Carboniferous-Permian faunal turnover. Which taxa control the diversities? The local marine paleo-temperatures within each profile will be investigated. Isotope-analyses will be carried out for the Finis Shale, the Buckhorn Asphalt Quarry, and the Kendrick Shale. Temperature and diversity will be cross correlated to shed light on the relation of temperature and biodiversity during the LPIA to answer the question 'How does the living environment react to global cooling?'.
  • Controls on global biodiversity patterns and skeletal mineralizsation during the Cambrian radiation
    (Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
    Titel des Gesamtprojektes: FOR 736: The Precambrian-Cambrian Biosphere Revolution: Insights from Chinese Microcontinents
    Laufzeit: 01.03.2011 - 31.10.2014
    Mittelgeber: DFG / Forschergruppe (FOR)
    Dieses Projekt zielt darauf ab, die globale Diversitätsdynamik um die Ediacarium-Kambrium- Grenze zuverlässig zu dokumentieren und die Daten für rigoroses Testen von Hypothesen zu verwenden. Eigene Geländestudien in Kasachstan und Südchina werden durch Daten aus der Forschergruppe und publizierte Daten in der Paleobiology Database ergänzt, um einen möglichst repräsentativen Datensatz zu erhalten. Muster der Alpha-, Beta- und Gamma- Diversität werden untersucht, um die relative Rolle von Diversitätsänderungen innerhalb und zwischen Fossilgemeinschaften sowie die Bedeutung biogeographischer Muster zu verstehen. Diese Muster werden verwendet, um Hypothesen zur Ursache der kambrischen Radiation zu testen. Besonders der mögliche Zusammenhang zwischen evolutionärer Innovation auf der einen Seite und Lebensräumen auf der anderen Seite wird in dieser Hinsicht neue Erkenntnisse zur Rolle von Sauerstoff, Nährstoffen und Klimaveränderungen in der kambrischen Radiation liefern. Die Geländearbeit wird sich auf Riffstrukturen im untersten Kambrium und Makroinvertebraten konzentrieren, um Muster der Biomineralisation zu erfassen.
  • Evolutionary rates of zooxanthellate and azooxanthellate corals and their controlling factors
    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
    Laufzeit: 01.02.2011 - 01.02.2014
    Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    Our goal is to identify the underlying causes of evolutionary rates within scleractinian corals. Scleractinians have two fundamentally different ecologies: Those that retrieve a substantial proportion of their nutrition from symbiotic algae in their tissue (zooxanthellate corals) and those that entirely depend on zooplankton for feeding Proposal Kiessling 2 (azooxanthellate corals). We will be analyzing the evolutionary consequences of these different ecological modes and correlated traits such as coloniality and environmental affinity. While photosymbiosis is clearly beneficial at the organismic level, there is a trade-off in terms of evolutionary benefit because zooxanthellate reef corals seem to be more sensitive to environmental change and tended to be affected more strongly by extinction events than other corals. Evolutionary rates are measured by a novel combination of samplingstandardized biodiversity dynamics and molecular methods. The changes in diversification, speciation, and extinction patterns will be compared with global changes in the marine environment and evolutionary changes in ecology to learn more about the circumstances favoring the spread and demise of these different corals. Thereby, we expect to improve estimates of extinction risk of modern corals.