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Risks affectingbiodiversity
Serge Morand(CBGP)
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• What is biodiversity?• Biodiversity in a changing world• Risks for biodiversity
– Distribution range– Bioinvasion– GMOs– Living resources– Health
• Risk analysis• The need of biodiversity indicators• How to predict, tools for risk analysis
– distribution range– health
Aims
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What is biodiversity?
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Diversity of species
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Diversity of ecosystems
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Diversity of human knowledge
Diversity of millet in West Africa
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Diversity of genes
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Earth Summit – Rio 1992Convention on Biological Diversity
“Biological diversity” means the variability among organisms from all sources including, inter alia, terrestrial, marine and other aquatic ecosystems and the ecological complexes of which they are part of; this includes diversity within species, between species and of ecosystems”
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• Variability• Interactions• Evolution
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Biodiversity in a global change
(Chapin et al. 2000)
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OBSERVED EFFECTS OF GLOBAL CHANGE ONBIODIVERSITY
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Phenological changes
DATE DE DEBUT VENDANGES A CHATEAUNEUF DU PAPE depuis 1945
1-sept6-sept
11-sept16-sept21-sept
26-sept1-oct
6-oct11-oct
1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000( B. Séguin INRA)
Phenology of vine tree
30-60 yMigration 1.3-4.4 d per decadeReproduction 1.9-4.8 d per décade
Europe, Amérique du Nord
Birds
25 yReproductionUKAmphibians
23 y2.8-3.2 d per decade (emergence)GBButterflies
30-48 y35-63 y
1.4-3.1 d per decade1.2-2.0 d per decadeflowering
EuropeNorth America
Plants
PeriodsObserved changesLocationTaxon
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Changes in area distribution
Temperature increaseNorth extension of one species with simultaneous retreat of the other
CanadaVulpes (2 species)
Winter temperatures18.9 km north migration in 20 years
Great BritainBirds (12 species)
Dry seasons frequenciesExtension in altitudeCosta-RicaBirds
Temperature increaseNorth extension of 200 kms in 27 years
North America Europe
Butterflies (39 species)
Costal temperature increase
Abundance increase of species from warm waters
Californian coastsNorth Atlantic
Zooplancton, intertidalvertebrates, fish
Temperature increaseElevation 1-4 mètre par décade
European AlpsAlpine plants
Temperature increaseExtensionAlaskaActic vegetation
Climate linkObserved changesLocationSpecies
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EVOLUTIONOF LIVING RESOURCES
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Fish biomass in 1900
(t/km2)
Christensen et al. (Fish & Fisheries, 2003).
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And in 2000….Christensen et al. (Fish & Fisheries, 2003).
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U.S. Bureau of the census, Watson and Pauly (2002)
Living resources: food security
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Global changes and fisheries
(Brander)
Cod catches in Greenland and ocean temperature
Effects of ENSO, NAO on the food web ?
Interactions with fishery management?
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BIOLOGICAL INVASIONS
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•twelve billion tons of water transported by year all around the world by boats (ballasts)
• 3,000 species are displaced each day
• Pacific jellyfish introduced in the Black Sea (1980s) -> 90% drop in fish catch
• 298 non indigenous species along the North American coasts
Example : marine bioinvasions
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- Higher inter temperature reducing mortality- Decrease of top predators and competitors (over-fishing)- Agriculture inputs -> phytoplancton blooms- Crash of fisheries
Interactions uses and climate: Giant jellyfish in Japan Sea
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CHANGES IN BIODIVERSITY AND
HEALTH ECOLOGY
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vector-borne diseases
distribution of vectorsdensity of vectorslongevity of vectorsincubation time
Simulie
Cératopogonide
Mouche des cornesStomoxe
Puce du chat Moustique
Climate change,biodiversity and health
(after Gérard Duvallet)
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Extreme events and human health
Extreme events, major El Niño, and epidemic outbreaks in 1997-1998 ( Bryan Christie/Scientific American 2000)
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EXTINCTIONS
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Millions d’années600 400 200 0
Nom
bre
de fa
mill
es
200
400
600
800
500 300 100
Paleozoic MesozoicCenozoic
Actual annual rate of extinction is 1,000 timesActual annual rate of extinction is 1,000 timesthe natural ratethe natural rate
Major crises of extinction
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Amphibians (world)
Birds (UK)
All species
Forest species
Open land species
Forest habitas
Marine habitats
Fresh water habitats
Balmford et al. 2003Trends Ecol. Evol.
Vertebrate populations
Animal population declines
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Estimation of threatened species
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Estimation of threatened human languages
• 50 % of languages will extinct in the next 50 years
• A link with the loss of human knowledge, the loss of genetic resources, and the biodiversity erosion
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BIODIVERSITY, RISKS,SECURITY OF HUMAN POPULATIONS
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Target 2010 (CBD)
To achieve by 2010 a significant reduction of the current rate of biodiversity loss at the global, regional and national level as a contribution to poverty alleviation and to the benefit of all life on earth
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Millenium Ecosystem Assessment
• 60% of ecosystems are degraded• source of conflicts• Struggle against poverty implies the
protection of the environment
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ECONOMIC VALUES OF BIODIVERSITY
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Biodiversity, sustainable development and economic values
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RISK ASSESMENTRISK ANALYSIS FOR BIODIVERSITY
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Sustainability as a Management Goal
Sustainability and other concepts such as biotic or community integrity may be very useful as guiding principles for management goals.
To do this, key questions need to be addressed:
What does sustainability or integrity mean for the particular ecosystem?
What must be protected to meet sustainable goals or system integrity?
Which ecological resources and processes are to be sustained and why?
How will we know we have achieved it?
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BIODIVERSITY INDICATORS
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Biodiversity Indicators
CDB UE Srategy French strategy
States and evolution of biodiversity
Threatens and pressures
Integrity of ecosystems
Goods and servicesSustainable uses
Access and benefits sharing
Transfers
Public opinion
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ESTIMATION ANDPROJECTION OF EXTINCTION
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(Thomas et al., 2004, Nature 427)
Global change and projection of extinctions
Log Area size
Log Species richnessSR = Area 0.25
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PROJECTION OF AREA CHANGES
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Modeling tools
Models based on processes• General principle
Simulation of a biological functioning in response to environment variation (from mathematical equation obtained by experimental results)
• AdvantagesHigh robustness High explanatory power
• InconvenientLong developmentNeed important biological data
(After Chuine)
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débourrement maturationflowering
Sum of temperature from flowering
Phenoogical
models
Probability of presence
Reproductive success Survival
Probability of fruit maturation
Dommagesdue to
freezing
Damages to leaves
Damages to flowers
Phenologicalobservations
Adjusted parameters senescence
Survival toDry conditions
Survival to extreme temperature
Example of a model based on processesPHENOFIT
(After Chuine)
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Chestnut - Castanea sativa
A1Fi Hadcm3 2080+2.6°C
B2 Hadcm3 2080+1.6°C
Actual observed distributionSimulated distribution Possible colonizationExtinction
Thuiller 2003 GCB
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Poplar – Populus tremuloïdes
B2 ARPEGE2100+2.5°C
A2 ARPEGE2100+4.5°C
colonization
Probabililty of stable presenceProbability of presence
Morin & Chuine In prep
Probability of presence
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Statistical models based on climate niche
• General principleGenesis of an area distribution of a species using statistical models (GLM, neural networks, etc..) based on links between presence/ absence and environmental variables
• AdvantagesRapid implementationEasy applied to all kind of species
• InconvenientLow robustness, difficult to evaluateLow explanatory power
(After Chuine)
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Model of distribution
Probability
of
occurrence
Species distribution,Biome…
Degree-days of growthAvailability of waterTemperature of the coldest monthLand uses
BIOMOD = platform of modeling
- Unlimited number of species (spatial data presence/absence)
- 5 different statiscal models
- Unlimited scenarios of global changes (climate / land uses)
- Response curves, significant variables…
Thuiller 2003 Glob.Chang.Biol; Thuiller 2004 Glob.Chang.Biol
Example of a statistical modelBIOMOD
(After Chuine)
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Biodiversity and global change
• Models based on the niche• 1998 species: 1350 plants, 383 birds, 157 mammals
and 108 reptiles/amphibians• 4 scenarios: A1, B1, A2, B2• Simulation in 2050 with HadCM3• Simulation in % lost species
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Economy
Business as usual
Sustainable
development
GLOBAL REGIONAL
A1Fi+2°C
Thuiller 2004 GCB
B1+1.1°C
A2+1.5°C
B2+1.1°C
![Page 57: Risks affecting biodiversity · Diversity of ecosystems. Diversity of human knowledge Diversity of millet in West Africa. Diversity of genes. Earth Summit – Rio 1992 Convention](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022011911/5f8e2496f6c48e4a9858f10d/html5/thumbnails/57.jpg)
(D’après Malcom)
Impacts of climate change on biodiversity and adaptive responses
Proportion of 14 models for biomes moves in response to climate change (each biome boundary should move at least of 1km/year in order to preserve its climatic niche)
Models show that in 19% of cases species should migrate at 1km per year (equal to post glacial re-colonisation) in order to attain a suitable area
![Page 58: Risks affecting biodiversity · Diversity of ecosystems. Diversity of human knowledge Diversity of millet in West Africa. Diversity of genes. Earth Summit – Rio 1992 Convention](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022011911/5f8e2496f6c48e4a9858f10d/html5/thumbnails/58.jpg)
PROJECTION FOR HEALTH
![Page 59: Risks affecting biodiversity · Diversity of ecosystems. Diversity of human knowledge Diversity of millet in West Africa. Diversity of genes. Earth Summit – Rio 1992 Convention](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022011911/5f8e2496f6c48e4a9858f10d/html5/thumbnails/59.jpg)
(after de la Rocque)
The blue tongue
![Page 60: Risks affecting biodiversity · Diversity of ecosystems. Diversity of human knowledge Diversity of millet in West Africa. Diversity of genes. Earth Summit – Rio 1992 Convention](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022011911/5f8e2496f6c48e4a9858f10d/html5/thumbnails/60.jpg)
• Orbivirus, Reoviridae
• 24 different strains
• Segmented RNA (recombinant)
• no cross-protection
• resistant virus
• never observed in the environment
Hematophagous Ceratopogonideas
• Culicoides imicola (Africa)• C. variipennis (North Am.)• C. insignis (North Am.)
• C. brevitarsis (Australia)
(after de la Rocque)
The blue tongue
![Page 61: Risks affecting biodiversity · Diversity of ecosystems. Diversity of human knowledge Diversity of millet in West Africa. Diversity of genes. Earth Summit – Rio 1992 Convention](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022011911/5f8e2496f6c48e4a9858f10d/html5/thumbnails/61.jpg)
CliniqueSérologiqueSuspectée
Atlas des maladies infectieuses des ruminants, 1991P.C. Lefèvre, IEMVT/CTA
The blue tongue
![Page 62: Risks affecting biodiversity · Diversity of ecosystems. Diversity of human knowledge Diversity of millet in West Africa. Diversity of genes. Earth Summit – Rio 1992 Convention](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022011911/5f8e2496f6c48e4a9858f10d/html5/thumbnails/62.jpg)
(1956-60)
Situation en 1998-99
1998
1999
1999
19991999
The blue tongue
![Page 63: Risks affecting biodiversity · Diversity of ecosystems. Diversity of human knowledge Diversity of millet in West Africa. Diversity of genes. Earth Summit – Rio 1992 Convention](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022011911/5f8e2496f6c48e4a9858f10d/html5/thumbnails/63.jpg)
Situation in 2000
The blue tongue
![Page 64: Risks affecting biodiversity · Diversity of ecosystems. Diversity of human knowledge Diversity of millet in West Africa. Diversity of genes. Earth Summit – Rio 1992 Convention](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022011911/5f8e2496f6c48e4a9858f10d/html5/thumbnails/64.jpg)
Situation in 2001
The blue tongue
![Page 65: Risks affecting biodiversity · Diversity of ecosystems. Diversity of human knowledge Diversity of millet in West Africa. Diversity of genes. Earth Summit – Rio 1992 Convention](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022011911/5f8e2496f6c48e4a9858f10d/html5/thumbnails/65.jpg)
58% des troupeaux
prév. cl.: 5%
2
2
22 9
92
9 4
216
2
4
The blue tongue
![Page 66: Risks affecting biodiversity · Diversity of ecosystems. Diversity of human knowledge Diversity of millet in West Africa. Diversity of genes. Earth Summit – Rio 1992 Convention](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022011911/5f8e2496f6c48e4a9858f10d/html5/thumbnails/66.jpg)
High temperaturesLow temperatures
Effects of abiotic factors on vectorial capacicity
• no virus replication under 15° (reversible)
Mortality rate Mortality rate
Infection rate
virogenesis
Date at firstinfective bite
Frequency of blood meal
Infection rate
virogenesis
Date at firstinfective bite
Frequency of blood meal "Understanding vector capacity
is the key to understanding disease dynamics" Mullens, 1995
![Page 67: Risks affecting biodiversity · Diversity of ecosystems. Diversity of human knowledge Diversity of millet in West Africa. Diversity of genes. Earth Summit – Rio 1992 Convention](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022011911/5f8e2496f6c48e4a9858f10d/html5/thumbnails/67.jpg)
observations
Confirmed presence
C. imicola. Log. abundance grey = 0.00-0.02, Light green = 0.03-0.78, Dark green = 0.95-3.63
RemoteSensingdataNDVI, LST, MIR, VPD / Analyses temporelles de Fourier
Baylis, Mellor, Wittmann, Rogers, 2001, The Veterinary Record
Models for projecting the presence of vector
![Page 68: Risks affecting biodiversity · Diversity of ecosystems. Diversity of human knowledge Diversity of millet in West Africa. Diversity of genes. Earth Summit – Rio 1992 Convention](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022011911/5f8e2496f6c48e4a9858f10d/html5/thumbnails/68.jpg)
Ln (n+1) = -94 + 0,323 LST + 19,7 NDVI
n : abundance of C. imicola
NDVI (Normalised difference vegetation index)
NDVI = (canal 2 – canal 1) / (canal 2 + canal 1)
LST (Land Surface temperature)
LST = canal 4 + 3,33 (canal 5 - canal 4)
NOAA, Captor AVHRR
Baylis, et al., 2001, The Veterinary Record de La Rocque et al. 2003.. Comparative Immunology, Microbiology and Infectious Diseases
![Page 69: Risks affecting biodiversity · Diversity of ecosystems. Diversity of human knowledge Diversity of millet in West Africa. Diversity of genes. Earth Summit – Rio 1992 Convention](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022011911/5f8e2496f6c48e4a9858f10d/html5/thumbnails/69.jpg)
Prediction of C. imicola – Portuguese and Corsican data (10 variables)
![Page 70: Risks affecting biodiversity · Diversity of ecosystems. Diversity of human knowledge Diversity of millet in West Africa. Diversity of genes. Earth Summit – Rio 1992 Convention](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022011911/5f8e2496f6c48e4a9858f10d/html5/thumbnails/70.jpg)
Scenario : increase of 2° C Prob. presence of imicola
0.75-1
0,5-0.75
0,3-0,5
Wittmann et al, 2001, Rev. Sci. Tech. Off. Int. Epiz
y = 0.5460*a + 0.6020*b – 0.4243*c – 15.78y = log (prob. Présence)a = minimum monthly temperaturesb = maximum monthly temperaturesc = number of months per year with mean temp. >12,5°
y = 0.5460*a + 0.6020*b – 0.4243*c – 15.78y = log (prob. Présence)a = minimum monthly temperaturesb = maximum monthly temperaturesc = number of months per year with mean temp. >12,5°
![Page 71: Risks affecting biodiversity · Diversity of ecosystems. Diversity of human knowledge Diversity of millet in West Africa. Diversity of genes. Earth Summit – Rio 1992 Convention](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022011911/5f8e2496f6c48e4a9858f10d/html5/thumbnails/71.jpg)
Déviations observées entre les températures annuellessurant les 150 dernières années ét la moyenne de la période 1961–1990
B. Purse et al., 2005. Nature (3): 171-181,
Changements de la temperature minimale annuelle entre les années 80 et 90 (séries temporelles, analyses de Fourier)
“For several reasons, statistical validation of the spatio-temporal correlation between changes in BTV incidence and climate changes was not sought”
![Page 72: Risks affecting biodiversity · Diversity of ecosystems. Diversity of human knowledge Diversity of millet in West Africa. Diversity of genes. Earth Summit – Rio 1992 Convention](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022011911/5f8e2496f6c48e4a9858f10d/html5/thumbnails/72.jpg)
Prob. presence of imicola
0.75-1
0,5-0.75
0,3-0,5New cases September 2006
How to manage the likely unpredictable ?
![Page 73: Risks affecting biodiversity · Diversity of ecosystems. Diversity of human knowledge Diversity of millet in West Africa. Diversity of genes. Earth Summit – Rio 1992 Convention](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022011911/5f8e2496f6c48e4a9858f10d/html5/thumbnails/73.jpg)
Thank you for yourattention