The greater latitudinal extents of occurrence of species towards higher latitudes has been attributed to the broadening of physiological tolerances with latitude as a result of increases in climatic variation. While there is some support for such patterns in climate, the physiological tolerances of species across large latitudinal gradients have seldom been assessed. Here we report findings for insects based on published upper and lower lethal temperature data. The upper thermal limits show little geographical variation. In contrast, the lower bounds of supercooling points and lower lethal temperatures do indeed decline with latitude. However, this is not the case for the upper bounds, leading to an increase in the variation in lower lethal limits with latitude. These results provide some support for the physiological tolerance assumption associated with Rapoport's rule, but highlight the need for coupled data on species tolerances and range size.

1. Introduction 2. Nutritional physiology and ecology 3. Metabolism and gas exchange 4. Water balance physiology 5. Lethal temperature limits 6. Thermoregulation 7. Conclusion

Summary 1. Terrestrial ectotherms are likely to face increased periods of heat stress as mean temperatures and temperature variability increase over the next few decades. Here, we consider the extent to which changes in upper thermal limits, through plasticity or evolution, might be constrained, and we survey insect and reptile data to identify groups likely to be particularly susceptible to thermal stress. 2. Plastic changes increase thermal limits in many terrestrial ectotherms, but tend to have less effect on upper limits than lower limits. 3. Although comparisons across insect species have normally not taken into account the potential for plastic responses, mid‐latitude species seem most prone to experience heat stress now and into the future, consistent with data from lizards and other groups. 4. Evolutionary adaptive potential has only been measured for some species; there is likely to be genetic variation for heat responses in populations, but selection and heritability experiments suggest that upper thermal limits may not increase much. 5. Although related species can differ by several degrees in their upper thermal limits, there is strong phylogenetic signal for upper limits. If these reflect evolutionary constraints, substantial molecular changes may be required to increase upper thermal limits. 6. Findings point to many terrestrial ectotherms having a limited potential to change their thermal limits particularly within the context of an average predicted temperature increase of 2–4 °C for mid‐latitude populations over the next few decades.

This chapter discusses the modern ecological and evolutionary contexts of the evolutionary physiology in insects and provides a survey of sources of environmental variability and their effects on insect populations. The chapter explores environmental variation and the various ways in which it may be quantified. Some environmental variables are relatively simple and straightforward, both to measure and to control, whereas others pose substantially greater problems from both perspectives. Even variables that are seemingly easy to measure might act in ways that are difficult to identify. The chapter examines insect responses to the thermal environment over a variety of spatial and temporal scales, focusing on recent developments in the field. The importance of water availability for insect survival and the determination of distribution and abundance patterns have been widely demonstrated. The chapter considers the question of what lessons insect evolutionary physiologists might have to offer ecology and conservation biology. In particular, how evolutionary physiology can offer ecologists a set of useful general rules in some cases and can unveil the nature of local contingency in others.

CR Climate Research Contact the journal Facebook Twitter RSS Mailing List Subscribe to our mailing list via Mailchimp HomeLatest VolumeAbout the JournalEditorsSpecials CR 43:3-15 (2010) - DOI: https://doi.org/10.3354/cr00879 Adapting to climate change: a perspective from evolutionary physiology Steven L. Chown1,*, Ary A. Hoffmann2, Torsten N. Kristensen3,4, Michael J. Angilletta Jr.5, Nils Chr. Stenseth6, Cino Pertoldi3,7 1Centre for Invasion Biology, Department of Botany and Zoology, Stellenbosch University, Private Bag X1, Matieland 7602, South Africa 2The University of Melbourne, Bio21 Institute, 30 Flemington Road, Parkville, Victoria 3052, Australia 3Department of Biological Sciences, Ecology and Genetics, Aarhus University, Ny Munkegade, Building 1540, DK-8000 Århus C, Denmark 4Department of Genetics and Biotechnology, Aarhus University, Blichers Allé 20, DK-8830 Tjele, Denmark 5School of Life Sciences Arizona, State University, Tempe, Arizona 85287, USA 6Centre for Ecological and Evolutionary Synthesis, Department of Biology, PO Box 1066 Blindern, 0316 Oslo, Norway 7Mammal Research Institute, Polish Academy of Sciences, Waszkiewicza 1c, 17-230 Bialowieża, Poland *Email: slchown@sun.ac.za ABSTRACT: Much attention has been given to forecasting the likely effects of ongoing climate change on biodiversity. A large and often contentious literature has developed about how changes in species’ ranges should be modelled and how additional biological mechanisms might be incorporated to improve their utility. Nonetheless, 2 areas stand out as relatively underappreciated: the importance of understanding a species’ physiological capacities when forecasting its response to climate change, and the likely influence that capacities for genetic change across generations and changes in plastic responses, or the lack thereof, will have on a species’ response. Although perhaps not as well developed as correlative approaches to understanding species responses to change, mechanistic approaches are advancing rapidly. In this review, we explore several of the key messages emerging from the mechanistic approach, embodied in evolutionary physiology, to understanding and forecasting species responses to climate change. KEYWORDS: Physiological ecology · Macrophysiology · Phenotypic plasticity · Demography · Adaptation · Selection Full text in pdf format NextCite this article as: Chown SL, Hoffmann AA, Kristensen TN, Angilletta MJ Jr, Stenseth NC, Pertoldi C (2010) Adapting to climate change: a perspective from evolutionary physiology. Clim Res 43:3-15. https://doi.org/10.3354/cr00879Export citation RSS - Facebook - Tweet - linkedIn Cited by Published in CR Vol. 43, No. 1-2. Online publication date: August 05, 2010 Print ISSN: 0936-577X; Online ISSN: 1616-1572 Copyright © 2010 Inter-Research.

A full-factorial study of the effects of rates of temperature change and start temperatures was undertaken for both upper and lower critical thermal limits (CTLs) using the tsetse fly, Glossina pallidipes . Results show that rates of temperature change and start temperatures have highly significant effects on CTLs, although the duration of the experiment also has a major effect. Contrary to a widely held expectation, slower rates of temperature change (i.e. longer experimental duration) resulted in poorer thermal tolerance at both high and low temperatures. Thus, across treatments, a negative relationship existed between duration and upper CTL while a positive relationship existed between duration and lower CTL. Most importantly, for predicting tsetse distribution, G. pallidipes suffer loss of function at less severe temperatures under the most ecologically relevant experimental conditions for upper (0.06°C min −1 ; 35°C start temperature) and lower CTL (0.06°C min −1 ; 24°C start temperature). This suggests that the functional thermal range of G. pallidipes in the wild may be much narrower than previously suspected, approximately 20–40°C, and highlights their sensitivity to even moderate temperature variation. These effects are explained by limited plasticity of CTLs in this species over short time scales. The results of the present study have broad implications for understanding temperature tolerance in these and other terrestrial arthropods.

Determining organismal responses to climate change is one of biology’s greatest challenges. Recent forecasts for future climates emphasize altered temperature variation and precipitation, but most studies of animals have largely focused on forecasting the outcome of changes in mean temperature. Theory suggests that extreme thermal variation and precipitation will influence species performance and hence affect their response to changes in climate. Using an information-theoretic approach, we show that in squamate ectotherms (mostly lizards and snakes), two fitness-influencing components of performance, the critical thermal maximum and the thermal optimum, are more closely related to temperature variation and to precipitation, respectively, than they are to mean thermal conditions. By contrast, critical thermal minimum is related to mean annual temperature. Our results suggest that temperature variation and precipitation regimes have had a strong influence on the evolution of ectotherm performance, so that forecasts for animal responses to climate change will have to incorporate these factors and not only changes in average temperature.

Abstract

 Modern climate change has precipitated widespread interest in the responses of organisms to the thermal environment. In insects, it is not only changes in mean environmental temperature and growing season length that are important, but also their responses to environmental extremes. Much is now known about the ways in which insects cope with the ice–water threshold, and with the low temperatures that precede it. Recent work has demonstrated a diversity of physiological responses to cooling and freezing in insects, with extremes of temperature, rates of temperature change, the numbers of freeze–thaw transitions, climatic unpredictability and the state of the surrounding microhabitat being important factors determining the cold tolerance strategy adopted by an insect. Insect low temperature biology now integrates techniques ranging from laboratory-based functional genomics to climatology, making it not only intrinsically fascinating, but also of considerable relevance to investigations of the biological implications of climate change.

Globally, ecosystems and their constituent flora and fauna face the localized and broad-scale influence of human activities. Conservation practitioners and environmental managers struggle to identify and mitigate threats, reverse species declines, restore degraded ecosystems, and manage natural resources sustainably. Scientific research and evidence are increasingly regarded as the foundation for new regulations, conservation actions, and management interventions. Conservation biologists and managers have traditionally focused on the characteristics (e.g. abundance, structure, trends) of populations, species, communities, and ecosystems, and simple indicators of the responses to environmental perturbations and other human activities. However, an understanding of the specific mechanisms underlying conservation problems is becoming increasingly important for decision-making, in part because physiological tools and knowledge are especially useful for developing cause-and-effect relationships, and for identifying the optimal range of habitats and stressor thresholds for different organisms. When physiological knowledge is incorporated into ecological models, it can improve predictions of organism responses to environmental change and provide tools to support management decisions. Without such knowledge, we may be left with simple associations. ‘Conservation physiology’ has been defined previously with a focus on vertebrates, but here we redefine the concept universally, for application to the diversity of taxa from microbes to plants, to animals, and to natural resources. We also consider ‘physiology’ in the broadest possible terms; i.e. how an organism functions, and any associated mechanisms, from development to bioenergetics, to environmental interactions, through to fitness. Moreover, we consider conservation physiology to include a wide range of applications beyond assisting imperiled populations, and include, for example, the eradication of invasive species, refinement of resource management strategies to minimize impacts, and evaluation of restoration plans. This concept of conservation physiology emphasizes the basis, importance, and ecological relevance of physiological diversity at a variety of scales. Real advances in conservation and resource management require integration and inter-disciplinarity. Conservation physiology and its suite of tools and concepts is a key part of the evidence base needed to address pressing environmental challenges.

Summary Owing to the detrimental impacts of invasive alien species, their control is often a priority for conservation management. Whereas the potential for unforeseen consequences of management is recognized, their associated complexity and costs are less widely appreciated. We demonstrate that theoretically plausible trophic cascades associated with invasive species removal not only take place in reality, but can also result in rapid and drastic landscape‐wide changes to ecosystems. Using a combination of population data from of an invasive herbivore, plot‐scale vegetation analyses, and satellite imagery, we show how a management intervention to eradicate a mesopredator has inadvertently and rapidly precipitated landscape‐wide change on sub‐Antarctic Macquarie Island. This happened despite the eradication being positioned within an integrated pest management framework. Following eradication of cats Felis catus in 2001, rabbit Oryctolagus cuniculus numbers increased substantially although a control action was in place ( Myxoma virus), resulting in island‐wide ecosystem effects. Synthesis and applications . Our results highlight an important lesson for conservation agencies working to eradicate invasive species globally; that is, risk assessment of management interventions must explicitly consider and plan for their indirect effects, or face substantial subsequent costs. On Macquarie Island, the cost of further conservation action will exceed AU$24 million.