Evolutionary impact assessment is introduced as a framework for quantifying the effects of 29 harvest-induced evolution on the utility generated by fish stocks.

Abstract Temperature variability and extremes can have profound impacts on populations and ecological communities. Predicting impacts of thermal variability poses a challenge because it has both direct physiological effects and indirect effects through species interactions. In addition, differences in thermal performance between predators and prey and non-linear averaging of temperature-dependent performance can result in complex and counterintuitive population dynamics in response to climate change. Yet the combined consequences of these effects remain underexplored. Here, modeling temperature-dependent predator-prey dynamics, we study how changes in temperature variability affect population size, collapse, and stable coexistence of both predator and prey, relative to under constant environments or warming alone. We find that the effects of temperature variation on interacting species can lead to a diversity of outcomes, from predator collapse to stable coexistence, depending on interaction strengths and differences in species’ thermal performance. Temperature variability also alters predictions about population collapse – in some cases allowing predators to persist for longer than predicted when considering warming alone, and in others accelerating collapse. To inform management responses that are robust to future climates with increasing temperature variability and extremes, we need to incorporate the consequences of temperature variation in complex ecosystems.

Abstract Ectotherms are predicted to “shrink” with global warming, in line with general growth models and the temperature-size rule (TSR), both predicting smaller adult sizes with warming. However, they also predict faster juvenile growth rates and thus larger size-at-age of young organisms. Hence, the result of warming on the size-structure of a population depends on the interplay between how mortality rate, juvenile- and adult growth rates are affected by warming. Here, we use two-decade long time series of biological samples from a unique enclosed bay heated by cooling water from a nearby nuclear power plant to become 5–10 °C warmer than its reference area. We used growth-increment biochronologies (12658 reconstructed length-at-age estimates from 2426 individuals) to quantify how >20 years of warming has affected body growth and size-at-age and catch data to quantify mortality rates and population size- and age structure of Eurasian perch ( Perca fluviatilis ). In the heated area, growth rates were faster for all sizes, and hence size-at-age was larger for all ages, compared to the reference area. While mortality rates were also higher (lowering mean age by 0.4 years), the faster growth rates lead to a 2 cm larger mean size in the heated area. Differences in the size-spectrum exponent (describing the proportion of fish by size) were less clear statistically. Our analyses reveal that mortality, in addition to plastic growth and size-responses, is a key factor determining the size structure of populations exposed to warming. Understanding the mechanisms by which warming affects the size- and age structure of populations is critical for predicting the impacts of climate change on ecological functions, interactions, and dynamics.

Abstract Predator responses to warming can occur via phenotypic plasticity and evolutionary adaptation, resulting in changes in their prey communities. However, we lack evidence of how warming-induced evolutionary changes in predators can influence the food web. Here, we ask whether fish subject to long-term warming across multiple generations differ in their impacts on prey communities compared to their nearby conspecifics experiencing a natural thermal regime. We carried out a common garden mesocosm experiment with larval perch ( Perca fluviatilis ), originating from one heated or one reference coastal environment, feeding on zooplankton communities under a gradient of experimental temperatures. We found that fish thermal origin influenced the zooplankton communities, and differently so depending on the experimental temperature. In presence of fish of heated origin, there were less zooplankton and also fewer individuals of large size, except for at intermediate experimental temperatures. Our findings show that differences between fish populations, potentially representing adaptation to local thermal environment, caused by multi-generational warming can cascade down via trophic interactions to also affect their zooplankton prey communities. Considering climate warming, our results suggest that rapid evolution in predators might have indirect cross-generational ecological consequences propagating through food webs.

Abstract According to the temperature-size rule, warming of aquatic ecosystems is generally predicted to increase individual growth rates but reduce asymptotic body sizes of ectotherms. However, we lack a comprehensive understanding of how growth and key processes affecting it, such as consumption and metabolism, depend on both temperature and body mass within species. This limits our ability to inform growth models, link experimental data to observed growth patterns, and advance mechanistic food web models. To examine the combined effects of body size and temperature on individual growth, as well as the link between maximum consumption, metabolism and body growth, we conducted a systematic review and compiled experimental data on fishes from 52 studies that combined body mass and temperature treatments. By fitting hierarchical models accounting for variation between species, we estimated how maximum consumption and metabolic rate scale jointly with temperature and body mass within species. We found that whole-organism maximum consumption increases more slowly with body mass than metabolism, and is unimodal over the full temperature range, which leads to the prediction that optimum growth temperatures decline with body size. Using an independent dataset, we confirmed this negative relationship between optimum growth temperature and body size. Small individuals of a given population may therefore exhibit increased growth with initial warming, whereas larger conspecifics could be the first to experience negative impacts of warming on growth. These findings help advance mechanistic models of individual growth and food web dynamics and improve our understanding of how climate warming affects the growth and size structure of aquatic ectotherms.

Predator responses to warming can occur via phenotypic plasticity, evolutionary adaptation or a combination of both, changing their top-down effects on prey communities. However, we lack evidence of how warming-induced evolutionary changes in predators may influence natural food webs. Here, we ask whether wild fish subject to warming across multiple generations differ in their impacts on prey communities compared with their nearby conspecifics experiencing a natural thermal regime. We carried out a common garden mesocosm experiment with larval perch ( Perca fluviatilis ), originating from a heated or reference coastal environment, feeding on zooplankton communities under a gradient of experimental temperatures. Overall, in the presence of fish of heated origin, zooplankton abundance was higher and did not change with experimental warming, whereas in the presence of fish of unheated origin, it declined with experimental temperature. Responses in zooplankton taxonomic and size composition suggest that larvae of heated origin consume more large-sized taxa as the temperature increases. Our findings show that differences between fish populations, potentially representing adaptation to their long-term thermal environments, can affect the abundance, biomass, size and species composition of their prey communities. This suggests that rapid microevolution in predators to ongoing climate warming might have indirect cross-generational ecological consequences propagating through food webs.

Abstract Resolving the combined effect of climate warming and exploitation in a food web context is key for predicting future biomass production, size-structure, and potential yields of marine fishes. Previous studies based on mechanistic size-based food web models have found that bottom-up processes are important drivers of size-structure and fisheries yield in changing climates. However, we know less about the joint effects of ‘bottom-up’ and physiological effects of temperature; how do temperature effects propagate from individual-level physiology through food webs and alter the size-structure of exploited species in a community? Here we assess how a species-resolved size-based food web is affected by warming through both these pathways, and by exploitation. We parameterize a dynamic size spectrum food web model inspired by the offshore Baltic Sea food web, and investigate how individual growth rates, size-structure, relative abundances of species and yields are affected by warming. The magnitude of warming is based on projections by the regional coupled model system RCA4-NEMO and the RCP 8.5 emission scenario, and we evaluate different scenarios of temperature dependence on fish physiology and resource productivity. When accounting for temperature-effects on physiology in addition to on basal productivity, projected size-at-age in 2050 increases on average for all fish species, mainly for young fish, compared to scenarios without warming. In contrast, size-at-age decreases when temperature affects resource dynamics only, and the decline is largest for young fish. Faster growth rates due to warming, however, do not always translate to larger yields, as lower resource carrying capacities with increasing temperature tend to result in declines in the abundance of larger fish and hence spawning stock biomass. These results suggest that to understand how global warming affects the size structure of fish communities, both direct metabolic effects and indirect effects of temperature via basal resources must be accounted for.

Abstract Body size is a key functional trait that has declined in many biological communities, partly due to changes in individual growth rates in response to climate warming. However, our understanding of growth responses in natural ecosystems is limited by relatively short time series without large temperature contrasts and unknown levels of adaptation to local temperatures across populations. In this study, we collated back-calculated length-at-age data for the fish Eurasian perch ( Perca fluviatilis ) from 10 populations along the Baltic Sea coast between 1953–2015 (142023 length-at-age measurements). We fitted individual-level growth trajectories using the von Bertalanffy growth equation, and reconstructed local temperature time series using generalized additive models fitted to three data sources. Leveraging a uniquely large temperature contrast due to climate change and artificial heating, we then estimated population-specific and global growth-temperature relationships using Bayesian mixed models, and evaluated if they conformed to local adaption or not. We found little evidence for local adaptation in the temperature-dependence of individual growth curves. Instead, population-specific curves mapped onto a global curve, resulting in body growth increasing with warming in cold populations but decreasing in warm populations. Understanding to which degree the effects of warming on growth and size are population-specific is critical for generalizing predictions of climate impacts on growth, which is a key biological trait affecting multiple levels of biological organisation from individuals to ecosystem functioning.

Abstract Worsening marine hypoxia has had severe negative consequences for fish communities across the globe. While individual­ and population­level impacts of deoxygenation have been identified, it is unknown how they interact to drive changes in food webs. To address this, we incorporated several major impacts of hypoxia, including declines in benthic re­ sources, habitat shifts, increasing mortality, and changes to rates of feeding, assimilation, and reproductive efficiency, into an existing size spectrum food web modeling framework. We used this structure to ask the following questions: which of these direct effects are most critical to capturing population and community dynamics in a representative hypoxic system, how do they interact to result in community responses to deoxygenation, and what are the potential consequences of these effects in the context of accelerating deoxygenation? We tested the effect of different combinations of oxygen­dependent processes, driven by observed oxygen levels, on the food web model’s ability to explain time series of observed somatic growth, diets, biomass, and fishery yields of commercially relevant species in the Baltic Sea. Model results suggest that food availability is most critical to capturing observed dynamics. There is also some evidence for oxygen­dependent habitat use and physological rates as drivers of observed dynamics. Deoxygenation results in declining growth both of benthic and benthopelagic fish species, as the latter are unable to compensate for the loss of benthic resources by consuming more pelagic fish and resources. Analysis of scenarios of ideal, declining, and degraded oxygen conditions show that deoxygenation results in a decline in somatic growth of predators, an altered habitat occupancy resulting in changing species interactions, and a shift in energy flow to benthopelagic predators from benthic to pelagic resources. This may have important implications for management as oxygen declines or improves.

Predicting the impacts of climate change on animal populations and communities requires understanding of feedbacks between direct physiological responses and indirect effects via ecological interactions. Food-dependent body growth and within-species size variation have major effects on dynamics of populations and communities through feedbacks between individual performance and population size structure. Moreover, evidence suggests a link between temperature and population size structure, but we lack an understanding of how this is mediated by species interactions when life history processes are food-dependent. Here, we use a dynamic stage-structured biomass model with food-, size- and temperature-dependent life history processes to assess how temperature affects coexistence, stability and size structure in a tri-trophic food chain. We show that predator biomass densities decline with warming either gradually or in the form of collapses, depending on which consumer life stage they predominantly feed on. Collapses occur when warming destabilizes the community and induces alternative stable states via Allee effects, which emerge when predators promote their own food source through predation. By contrast, warming at low temperatures stabilizes the community as limit cycles turn to fixed point dynamics, unless predators feed only on juveniles. Elevated costs of being large in warmer environments accelerate the decline in predator persistence and mean body size of the community. These results suggest that predator persistence in warmer climates may be lower than previously acknowledged when accounting for size- and food-dependence of life history processes, and that interactions within and between species can mediate the effects of warming on food web stability.