Summary

 The topology of ecological interaction webs holds important information for theories of coevolution, biodiversity, and ecosystem stability [1–6]. However, most previous network analyses solely counted the number of links and ignored variation in link strength. Because of this crude resolution, results vary with scale and sampling intensity, thus hampering a comparison of network patterns at different levels [7–9]. We applied a recently developed [10] quantitative and scale-independent analysis based on information theory to 51 mutualistic plant-animal networks, with interaction frequency as measure of link strength. Most networks were highly structured, deviating significantly from random associations. The degree of specialization was independent of network size. Pollination webs were significantly more specialized than seed-dispersal webs, and obligate symbiotic ant-plant mutualisms were more specialized than nectar-mediated facultative ones. Across networks, the average specialization of animal and plants was correlated, but is constrained by the ratio of plant to animal species involved. In pollination webs, rarely visited plants were on average more specialized than frequently attended ones, whereas specialization of pollinators was positively correlated with their interaction frequency. We conclude that quantitative specialization in ecological communities mirrors evolutionary trade-offs and constraints of web architecture. This approach can be easily expanded to other types of biological interactions.

Summary Climate and land-use change are key drivers of environmental degradation in the Anthropocene, but too little is known about their interactive effects on biodiversity and ecosystem services. Long-term data on biodiversity trends are currently lacking. Furthermore, previous ecological studies have rarely considered climate and land use in a joint design, did not achieve variable independence or lost statistical power by not covering the full range of environmental gradients. Here, we introduce a multi-scale space-for-time study design to disentangle effects of climate and land use on biodiversity and ecosystem services. The site selection approach coupled extensive GIS-based exploration and correlation heatmaps with a crossed and nested design covering regional, landscape and local scales. Its implementation in Bavaria (Germany) resulted in a set of study plots that maximizes the potential range and independence of environmental variables at different spatial scales. Stratifying the state of Bavaria into five climate zones and three prevailing land-use types, i.e. near-natural, agriculture and urban, resulted in 60 study regions covering a mean annual temperature gradient of 5.6–9.8 °C and a spatial extent of 380×360 km. Within these regions, we nested 180 study plots located in contrasting local land-use types, i.e. forests, grasslands, arable land or settlement (local climate gradient 4.5–10 °C). This approach achieved low correlations between climate and land-use (proportional cover) at the regional and landscape scale with | r ≤0.33| and | r ≤0.29|, respectively. Furthermore, using correlation heatmaps for local plot selection reduced potentially confounding relationships between landscape composition and configuration for plots located in forests, arable land and settlements. The suggested design expands upon previous research in covering a significant range of environmental gradients and including a diversity of dominant land-use types at different scales within different climatic contexts. It allows independent assessment of the relative contribution of multi-scale climate and land use on biodiversity and ecosystem services. Understanding potential interdependencies among global change drivers is essential to develop effective restoration and mitigation strategies against biodiversity decline, especially in expectation of future climatic changes. Importantly, this study also provides a baseline for long-term ecological monitoring programs.

Summary One of the most dramatic changes occurring on our planet in recent decades is the ever-increasing extensive use of artificial light at night, which drastically altered the environment nocturnal animals are adapted to 1,2 . One nocturnal species group experiencing marked declines are moths, which are not only of great importance for species conservation, but also for their key role in food webs and in ecosystem services such as nocturnal plant pollination 3,4 . Light pollution has been identified as a driver in the dramatic insect decline of the past years 5–7 , yet little is known about its impact on natural insect orientation behaviour. Using harmonic radar tracking, we show that the orientation of several species of moths is significantly affected by streetlights, although only 4 % of individuals showed flight-to-light behaviour. We reveal a species-specific barrier effect of streetlights on lappet moths whenever the moon was not available as a natural celestial cue. Furthermore, streetlights increased the tortuosity of flight trajectories for both hawk moths and lappet moths. Our results provide the first spatially resolved experimental evidence for the fragmentation of landscapes by streetlights and demonstrate that light pollution affects movement patterns of moths beyond previously assumed extend, potentially affecting their reproductive success and hampering a vital ecosystem service.

Dispersal is a well-recognized driver of ecological and evolutionary dynamics, and simultaneously an evolving trait. Dispersal evolution has traditionally been studied in single-species metapopulations so that it remains unclear how dispersal evolves in metacommunities and metafoodwebs, which are characterized by a multitude of species interactions. Since most natural systems are both species-rich and spatially structured, this knowledge gap should be bridged. Here, we discuss whether knowledge from dispersal evolutionary ecology established in single-species systems holds in metacommunities and metafoodwebs and we highlight generally valid and fundamental principles. Most biotic interactions form the backdrop to the ecological theatre for the evolutionary dispersal play because interactions mediate patterns of fitness expectations across space and time. While this allows for a simple transposition of certain known principles to a multispecies context, other drivers may require more complex transpositions, or might not be transferred. We discuss an important quantitative modulator of dispersal evolution—increased trait dimensionality of biodiverse meta-systems—and an additional driver: co-dispersal. We speculate that scale and selection pressure mismatches owing to co-dispersal, together with increased trait dimensionality, may lead to a slower and more ‘diffuse’ evolution in biodiverse meta-systems. Open questions and potential consequences in both ecological and evolutionary terms call for more investigation. This article is part of the theme issue 'Diversity-dependence of dispersal: interspecific interactions determine spatial dynamics'.

An individual's body size is central to its behavior and physiology, and tightly linked to its dispersal ability. The spatial arrangement of resources and a consumer's capacity to locate them are therefore expected to exert strong selection on consumer body size. We investigated the evolutionary impact of both the fragmentation and loss of habitat on consumer body size and its feedback effects on resource distribution, under varying levels of information use during the settlement phase of dispersal. We developed a mechanistic, individual-based, spatially explicit model, including several allometric rules for key consumer traits. Our model reveals that as resources become more fragmented and scarce, informed settlement selects for larger body sizes while random settlement promotes small sizes. Information use may thus be an overlooked explanation for the observed variation in body size responses to habitat fragmentation. Moreover, we find that resources can accumulate and aggregate if information on resource abundance is incomplete. Informed movement results in stable resource-consumer dynamics and controlled resources across space. However, habitat fragmentation and loss destabilize local dynamics and disturb resource suppression by the consumer. Considering information use during movement is thus critical to understand the eco-evolutionary dynamics underlying the functioning and structuring of consumer communities.

In the absence of predators, habitat fragmentation favors large body sizes in primary consumers with informed movement due to their high gap-crossing ability. However, the body size of primary consumers is not only shaped by such bottom-up effects, but also by top-down effects as predators prefer prey of a certain size. Therefore, higher trophic levels should be taken into consideration when studying the effect of habitat loss and fragmentation on size distributions of herbivores. We built a model to study the effect of habitat loss and fragmentation within a simple food web consisting of (i) a basal resource that is consumed by (ii) a herbivore that in turn is consumed by (iii) a predator. Our results highlight that predation may result in local accumulation of the resource via top-down control of the herbivore. As such, the temporal and spatial variation of the resource distribution is increased, selecting for increased herbivore movement. This results in selection of larger herbivores than in the scenario without predator. As predators cause herbivores to be intrinsically much larger than the optimal sizes selected by habitat fragmentation in the absence of predators, habitat fragmentation is no longer a driver of herbivore size. However, there is selection for increased predator size with habitat fragmentation as herbivores become less abundant, favoring gap-crossing ability of the predator. Since herbivore and predator body size respond differently to habitat loss and fragmentation, realized predator-herbivore body size ratios increase along this fragmentation gradient. Our model predicts the dominance of top-down forces in regulating body size selection in food webs and helps to understand how habitat destruction and fragmentation affect overall food web structure.

Body size is a fundamental trait known to allometrically scale with metabolic rate, and therefore a key determinant of individual development, life history and consequently fitness. In spatially structured environments, movement is an equally important driver of fitness. Because movement is tightly coupled with body size, we expect habitat fragmentation to induce a strong selection pressure on size variation across and within species. Changes in body size distributions are then, in turn, expected to alter food web dynamics. However, no consensus has been reached on how spatial isolation and resource growth affect body size distributions. Our aim was to investigate how these two factors shape the body size distribution of consumers under scenarios of size-dependent and -independent consumer movement by applying a mechanistic, individual-based resource-consumer model. The outcome was then linked to important ecosystem traits such as resource abundance and stability. Finally, we determined those factors that explain most variation in size distributions. We demonstrate that decreasing connectivity and resource growth select for communities (or populations) consisting of larger species (or individuals) due to strong selection for the ability to move over longer distances. When including size-dependent movement, moderate levels of connectivity result in increases in local size diversity. Due to this elevated functional diversity, resource uptake is optimized at the metapopulation or metacommunity level. At these intermediate levels of connectivity, size-dependent movement explains most of the observed variation in size distributions. Interestingly, local and spatial stability of consumer biomass are lowest when isolation and resource productivity are high. Finally, we highlight that size-dependent movement is of vital importance for the survival of populations within highly fragmented landscapes. Our results demonstrate that considering size-dependent movement and resource growth is essential to understand patterns of size distributions at the population or community level and the resulting metapopulation or metacommunity dynamics.

The adaptive significance of adjusting behavioural activities to the right time of the day is intuitive. Laboratory studies have implicated an important role of circadian clocks in behavioural timing and rhythmicity. Yet, recent studies on clock-mutant animals questioned this importance under more naturalistic settings, as various clock mutants showed nearly normal diel activity rhythms under semi-natural Zeitgeber conditions. We here report evidence that proper timing of eclosion, a vital behaviour of the fruit fly Drosophila melanogaster , requires a functional molecular clock even under quasi-natural conditions. In contrast to wildtype flies, period01 mutants with a defective molecular clock eclose mostly arrhythmically in a temperate environment even in the presence of a full complement of abiotic Zeitgebers. Moreover, period01 mutants eclose during a much larger portion of the day, and peak eclosion time becomes more susceptible to variable day-to-day changes of light and temperature. Under the same conditions, flies with impaired peptidergic inter-clock signalling ( pdf01 and han5304 mutants) stayed largely rhythmic with normal gate sizes. Our results suggest that the presence of natural Zeitgebers can mitigate a loss of peptide-mediated phasing between central clock neuron groups, but cannot substitute for the lack of a functional molecular clock under natural temperate conditions.