, Volume 153, Issue 1 Supplement, pp 75-84,
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Date: 03 Dec 2011

Adaptive phenological mismatches of birds and their food in a warming world

Abstract

Climate change has profound ecological effects in birds, with the clearest effect a shift in timing, or phenology, of avian reproduction. To assess the consequences of these shifts, we performed a literature search and compared the rates of phenological change in the reproduction of birds with that of the food for their offspring. While in some areas the rate of change of the birds and their food was similar, there were also areas where the birds’ shift lagged behind that of their food. In these cases, this will lead to a phenological mismatch, which will affect the fitness of the brood. There are two hypotheses explaining why climate change leads to mismatched reproduction: either the cues used no longer accurately predict the peak in food abundance (the cues hypothesis) or the fitness costs of egg production and/or incubation of laying early enough to match reproduction are substantial in early spring and are not compensated by the fitness benefits of a better matched reproduction (constraint hypothesis). In the latter case, the phenological mismatch is adaptive. We present a simple mathematical model to show that this may be the case if there are fitness costs of egg laying and/or incubation under cold conditions and if the temperatures that determine the peak in food abundance increase stronger than the temperatures affecting the costs of egg laying and incubation, as is the case in the Netherlands. Whether or not a phenological mismatch is adaptive has important consequences for natural selection acting on timing of reproduction. If the mismatch is not adaptive, timing of reproduction will be under direct natural selection, while, if the mismatch is adaptive, selection is likely to be on the costs of egg production, possibly on egg size or adult size. In all cases, a mismatch is expected to have negative population consequences and, especially when the mismatch is adaptive, these consequences cannot be reduced by a response to natural selection on timing directly. This makes experimental studies on laying date, which can determine whether the mismatch is adaptive, of crucial importance.

Zusammenfassung

Adaptive phänotypische Fehlanpassungen zwischen Vögeln und ihrer Nahrung in Zeiten der Erderwärmung

Der Klimawandel hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Ökologie von Vögeln, wobei der deutlichste Effekt eine Verschiebung des Timings, oder der Phänologie, der Fortpflanzung ist. Um die Konsequenzen einer solchen Verlagerung zu untersuchen haben wir eine Literatursuche durchgeführt und die Rate der phänologischen Veränderung im Brutverhalten der Vögel mit denen der Nestlingsnahrung verglichen. Während in manchen Fällen die Veränderungsraten der Vögel und Nahrungsquelle ähnlich waren gab es auch Nahrungsketten in denen die Rate der Vögel hinter der ihrer Nahrung zurückblieb. Daraus resultiert eine phänologische Fehlabstimmung (mismatch), die die Fitness der Brut beeinträchtigt. Zwei Hypothesen können erklären warum der Klimawandel zu dieser zeitlichen Fehlabstimmung im Timing der Fortpflanzung führt: Entweder die verwendeten Signale sagen nicht mehr akkurat den Zeitpunkt maximaler Nahrungsabundanz voraus (cues-Hypothese), oder aber die Fitness-Kosten einer ausreichend frühen Eiproduktion und/oder Inkubation sind im frühen Frühjahr so beträchtlich, dass sie nicht ausreichend durch die Fitness-Gewinne einer gut getimten Fortpflanzung ausgeglichen werden (constraints-Hypothese). Im letzten Fall ist eine phänologische Fehlabstimmung adaptiv. Wir stellen hier ein einfaches mathematisches Modell vor, welches verdeutlicht, dass dies der Fall sein könnte, wenn es Fitness-Kosten der Eiproduktion und/oder Inkubation unter kalten Temperaturbedingungen gibt und wenn die Temperaturen, die den Höhepunkt der Nahrungsabundanz beeinflussen, stärker ansteigen als die Temperaturen, die die Kosten der Eiproduktion und Inkubation bestimmen, wie es in den Niederlanden der Fall ist. Ob eine phänologische Fehlabstimmung adaptiv ist hat bedeutende Auswirkungen auf die natürliche Selektion des Fortpflanzungs-Timings. Bei einer nichtadaptiven Fehlabstimmung steht das Timing unter direkter natürlicher Selektion, andernfalls findet Selektion auf die Kosten der Eiproduktion statt, möglicherweise auch auf die Eigröße oder Größe der adulten Vögel. In jedem Fall wird erwartet, dass eine zeitliche Fehlabstimmung negative Auswirkungen auf die Population hat, und besonders wenn diese Fehlabstimmung adaptiv ist, können Konsequenzen nicht durch eine direkte Reaktion auf die natürliche Selektion des Timings reduziert werden. Diese Tatsache unterstreicht die Bedeutung experimenteller Studien von Legedaten, welche aufklären können, ob eine Fehlabstimmung adaptiv ist.

Communicated by John Wingfield.