Global biogeographic patterns of marine sponges

Vafeiadou, Ariadni

http://hdl.handle.net/10400.1/20643

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Authors

Vafeiadou, Ariadni

Advisor(s)

Assis, Jorge

Abstract(s)

Na era do Antropoceno, as atividades antropogénicas tiveram um impacto dramático no planeta, levando a alterações significativas nos seus elementos, incluindo o oceano global. As maiores ameaças aos ambientes marinhos incluem a sobrepesca, a perda de habit at, a poluição e fatores de stress induzidos pelas alterações climáticas, como a acidificação das águas e as temperaturas elevadas. Mais precisamente, para taxa bentónicos sésseis, em particular as esponjas que desempenham papéis cruciais nos ecossistema s marinhos a pesca de arrasto e as atividades petrolíferas e de gás estão entre as ameaças mais alarmantes. Estas perturbações mediadas pelo homem desencadearam uma perda de biodiversidade, afetando o funcionamento dos ecossistemas e, consequentemente, o bem estar humano. Reconhecendo os efeitos destas atividades, os países uniram se e tentaram combater coletivamente o declínio da biodiversidade global, como a Meta de Biodiversidade de 2010 e o Plano Estratégico para a Diversidade 20 11 2020, mas não conseguiram atingir esses objetivos . Atualmente, está em vigor o Quadro Mundial para a Biodiversidade pós 2020, que visa igualmente uma mudança positiva em termos de biodiversidade. No centro da abordagem das questões de biodiversidade, a compreensão dos padrões globais de biodiversidade é extremamente importante, mas continua a ser limitada, especialmente nos ambientes marinhos. Por esta razão, iniciativas globais, como o Censo da Vida Marinha, procuram discernir estes padrões, reconhecend o a importância de estabelecer uma base de referência para monitorizar futuras alterações da biodiversidade. No entanto, para gerir a biodiversidade, é necessário compreender a forma como as espécies se distribuem no mar, sendo a riqueza e a endemicidade d as espécies as principais métricas. Os Modelos de Distribuição de Espécies (MDE) são uma ferramenta fundamental que oferece informações valiosas sobre a distribuição das espécies, sendo utilizados em diversas aplicações em ecologia, evolução e ciências da conservação. Os MDE são ferramentas computacionais concebidas para quantificar a relação entre a distribuição de uma espécie e múltiplos fatores de previsão ambiental. Associam observações da ocorrência ou abundância de espécies a estimativas ambientais ut ilizando uma variedade de métodos estatístic os . A utilidade dos modelos depende da avaliação do seu desempenho, que identifica os pontos fortes e as limitações, determinando assim o âmbito da sua aplicação prática. Devido à crescente disponibilidade de mét odos estatísticos e de dados biológicos e ambientais, a sua aplicação tem se desenvolvido em ecossistemas terrestres, de água doce e marinhos. As esponjas são componentes essenciais das comunidades bentónicas, tendo colonizado todos os ecossistemas aquátic os. Desempenham uma multiplicidade de papéis funcionais no que respeita ao substrato, à ligação bento pelágic a e a associações com outros organismos. Avanços recentes conduziram a estimativas globais da diversidade marinha e do endemismo entre taxa, mas a maior parte da investigação sobre a distribuição centra se nos peixes, mamíferos e moluscos. No entanto, as esponjas, apesar dos seus diversos papéis e da sua presença generalizada nos ecossistemas aquáticos, são frequentemente negligenciadas. Existe a pena s um número limitado de publicações sobre a distribuição de esponjas, e estas centram se em espécies ou extensões geográficas específicas e limitadas, ou em associação com outros taxa. Devido à preocupação global com a perda de biodiversidade marinha, há u ma procura crescente de determinar os atuais padrões de distribuição de espécies desconhecidas para identificar e medir eficazmente as alterações na biodiversidade. Para responder a esta necessidade, este estudo procurou estimar os padrões de biodiversidad e global das demosponjas marinhas, membros da classe Demospongiae, que compreende ~8 1 % do filo total. Numa primeira fase, foram recolhidos registos de espécies desta classe em diversos repositórios online. As observações recolhidas foram submetidas a uma v alidação cruzada para detetar potenciais erros taxonómicos e de distribuição espacia l . Os registos que não se enquadravam nas suas distribuições batimétricas ou geográficas conhecidas ou em terra, de acordo com o conhecimento de especiali stas , foram removi dos. Obteve se assim um conjunto de dados de 376.242 registos validados de 1.808 espécies de demosponjas taxonomicamente aceites. Posteriormente, este conjunto de dados foi utilizado juntamente com um conjunto de variáveis ambienta is ecologicamente relevan tes para produzir modelos de distribuição de espécies. Foi utilizado um conjunto de três algoritmos: Boosted Regression Trees, Adaptive Boosting, Extreme Gradient Boosting. O método seguido produziu modelos individuais para 649 espécies de demosponge, que foram depois agrupados para revelar os seus padrões de biodiversidade a nível global. F oram utilizadas três métricas para avaliar o desempenho dos modelos Area Under the Curve, True Skill Statistic and Boyle’s metric. Adicionalmente, a contribuição relativ a global dos preditores ambientais foi estimada, juntamente com limi tes considerados críticos para a disatribuição das espécies . Além disso, para explorar melhor estes padrões, foi efetuada uma análise hierárquica de agrupamento, com base nos dados de pres ença/ausência das 649 espécies em 12 Eco regiões Marinhas do Mundo. Este estudo fornece, pela primeira vez, uma visão global dos padrões de distribuição global das espécies de demosponge com recurso à modelação da distribuição das espécies, melhorando a no ssa compreensão deste grupo. De acordo com as três métricas, o desempenho do modelo é excelente e a sua incerteza é baixa. Com base nestes resultados, as condições térmicas caracterizam predominantemente o habitat das demosponjas, mas a produtividade primária e o pH também desempenham um papel significativo na sua distribuição. A maior diversidade está prevista nas regiões tropicais e subtropicais. Nomeadamente, áreas como o Mar das Caraíbas e o Golfo do México no Oceano Atlântico, bem como o Triângulo de C oral e as áreas da Grande Barreira de Coral nos Oceanos Indo Pacífico, apresentam uma elevada biodiversidade. A técnica de agrupamento revelou três grupos distintos de demosponjas . O Oceano Austral emergiu como um grupo único, refletindo elevados níveis de endemicidade. O Pacífico Tropical Oriental emparelhou com a América do Sul Temperada. O resto d a s regiões marinh a s juntaram se n um terceiro grupo, indicando que o Atlântico, em conjunto com o Indo Pacífico e a Australásia, albergam uma parte subs tancial de espécies com distribuições generalizadas. As estimativas providenciadas, que identificam áreas de elevada diversi dade de demosponjas podem agora informar estratégias de conservação e gestão, incluindo ações destinadas a salvaguardar as suas num erosas contribuições ecológicas.

Anthropogenic activities have dramatically impacted our oceans, which have triggered cascading biodiversity loss. This, in turn, affects ecosystem functioning, services, and ultimately human well-being. In response, international agreements set conservation goals for positive biodiversity. A prerequisite for effective management is a comprehensive understanding of current marine species distribution. Sponges are essential components of benthic communities, having colonized all aquatic ecosystems. Despite their diverse ecological roles, sponges are often overlooked. In this study, we focused on marine sponges from the class Demospongiae, which make up ~ 81% of all sponges. Using Species Distribution Models, we delineated global biodiversity patterns of marine demosponges. Occurrence records, taxonomically and spatially curated, were paired with relevant environmental predictors using an ensemble of machine learning algorithms. The resulting individual models were stacked to unravel biodiversity trends on a global scale, along with overall relative predictors’ contribution and their corresponding critical thresholds. The findings showed that demosponge habitats are predominantly influenced by thermal conditions, pH, and phytoplankton productivity. Highest diversity was estimated in the tropical and subtropical zones, with one hotspot residing in the Caribbean Sea and Gulf of Mexico in the Atlantic Ocean, and the second in the Coral Triangle and Great Barrier Reef in the Indo-Pacific. Hierarchical clustering analysis of demosponges across the 12 marine realms revealed three groups. The Southern Ocean formed a single cluster, Eastern Tropical Pacific was paired with Temperate South America and the remaining realms merged into one group. This study, amplifies our understanding of global demosponge distribution, serving as a baseline to inform accordingly future conservation and management strategies.