Sinal filogenético e conservação filogenética de nicho : integrando métodos aos conceitos ecológicos

Abstract

Compreender os fatores que afetam a distribuição das espécies tem sido um dos principais objetivos dos ecólogos. Atualmente, sabe-se que os processos ecológicos e evolutivos moldam a dinâmica de especiação e extinção de espécies, e determinam a distribuição e abundância das mesmas. Ao longo dos últimos anos, tem havido um aumento no número de estudos que utilizam informação filogenética para explicar as dinâmicas populacionais e as distribuições de espécies, e que buscam identificar os mecanismos responsáveis pela montagem das comunidades. Interações das espécies, sejam elas intraespecífica, interespecífica ou com o ambiente, ocorrem baseadas nas diferenças e semelhanças fenotípicas. Essas variações fenotípicas tem origem na evolução das espécies, e com isso espera-se que as espécies proximamente relacionadas tendam a ser ecologicamente mais semelhantes entre si do que as espécies distantemente relacionadas. Esta concepção tem dado origem a um conceito importante, com implicações para estudos tanto ecológicos quanto evolutivos: o conceito de conservação filogenética de nicho, isto é, quando as espécies relacionadas mantêm seus nichos ancestrais ao longo do tempo evolutivo. Esse padrão tem importância para diversas áreas de ecologia, permitindo a ligação das espécies aos processos ecológicos e auxiliando na maior compreensão da ecologia evolutiva das diferentes linhagens. Devido à sua importância, é fundamental o desenvolvimento de métodos estatísticos adequados para quantificar esses padrões e inferir os processos que o subjazem. Atualmente, os métodos utilizados para inferir conservação filogenética de nicho são, em sua maioria, incompatíveis com determinados conceitos ecológicos e não abrangem todos os tipos de dados e esse fato explica uma visão incompleta dos processos presentes nas comunidades e conflitante com o objetivo de muitos estudos ecológicos e conservacionistas que buscam vincular as espécies aos processos ecológicos e evolutivos. Desta forma, o principal objetivo desta tese é propor novos métodos para quantificar o sinal filogenético que integrem diferentes aspectos do conceito de nicho ecológico. Apresentamos aqui os novos métodos em detalhes e avaliamos suas propriedades estatísticas (erro tipo I e poder estatístico) por meio de dados simulados. No capítulo 1, nós propomos um método para medir sinal filogenético utilizando o teste de Mantel, incorporando modelos evolutivos para testar hipóteses específicas da evolução dos atributos. No capítulo 2, descrevemos um conjunto de funções e um novo pacote estatístico para explorar os padrões filogenéticos no nível de metacomunidade. Este pacote permite explorar a distribuição de linhagens filogenéticas através de gradientes ecológicos, a análise de sinal filogenético no nível da metacomunidade e explorar a associação entre clados e gradientes ecológicos. No capítulo 3, investigamos a relação entre sinal filogenético dos atributos com os padrões de coocorrência das espécies nos níveis da comunidade. Esta abordagem permite testar se espécies filogeneticamente relacionadas que coocorrem expressam as suas dimensões de nicho com maior semelhança do que seria esperado por modelos neutros de evolução. Por fim, testamos as propriedades estatísticas destes métodos em relação dois modelos nulos, que incorporam diferentes aspectos da estrutura da comunidade e evolução dos atributos das espécies. Os três capítulos representam diferentes trabalhos que se interconectam no sentido de elucidar o conceito de sinal filogenético e conservação filogenética de nicho.

Understanding the factors that can affect species distributions has been a main goal of ecologists. Currently, it is known that evolutionary and ecological processes shape the speciation dynamics, species extinction and determine the distribution and abundance of species. Over the last years, there has been an increase in the number of studies using phylogenetic information to explain the dynamics of population, species distribution and identifying the mechanisms of community assembly. Species interactions – intraspecific, interspecific or with the environment – occur based on their phenotypic differences and similarities. As phenotypic variation has a basis in evolutionary history, it is expected that closely related species tend to be more ecologically similar to each other than distantly related ones. This notion has given rise to an important concept, with implications for both evolutionary and ecological studies: the concept of phylogenetic niche conservatism, that is, when related species maintain their ancestral niches over evolutionary time. This pattern is important for several areas of ecology, and allows to link species to ecological processes and to understand the evolutionary ecology of different lineages. Despite its importance, it is crucial the development of appropriate statistical method to measure this pattern and to infer the processes behind it. The methods currently available to infer phylogenetic niche conservatism are sometimes incompatible with some ecological concepts and do not cover all kind of data, this fact leads to an incomplete view of the process acting in the currents communities and conflict with the goal of many ecological and conservation studies that need to link species to ecological and evolutionary processes. The main goal of this dissertation is to propose novel methods to measure phylogenetic signal incorporating different aspects of ecological niche. We introduce novel methods in detail and evaluate its statistical properties (type I error and statistical power) by means of simulated data with known structure. In chapter 1 we propose a method to measure phylogenetic signal using the Mantel test, incorporating evolutionary model to test specific hypothesis of trait evolution. In chapter 2, we describe a set of function and a new statistical package for exploring the phylogenetic patterns at the metacommunity level. This package allows the exploration of distribution of phylogenetic lineages across ecological gradients, the analysis of phylogenetic signal at metacommunity level and to explore the association between clades and ecological gradients. In the chapter 3, we access the relationship between phylogenetic signal in traits and species co-occurrence patterns in the community levels. This approach allows one to test whether phylogenetic close related species cooccurring in metacommunities express their niche dimensions more similarly than would be expected by neutral expectation. We tested the statistical properties of these methods in relation to two null models, which incorporate these different aspects of the community structure and evolution of species traits. The three chapters represent different works that are interconnected in order to elucidate the concept of phylogenetic signal and phylogenetic niche conservatism.