Demographic resilience of lizards in Brazil

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Humans are drastically changing the environment on global, regional, and local scales. Moreover, disturbances, such as fires and extreme climatic events, are increasingly frequent and intense due to human actions. Animal and plant populations may cope with disturbances in two different ways: compensating by increasing their population sizes or resisting to decrease their population sizes (1). The degree to which populations compensate, resist, and the time they recover to the previous population state after disturbances reveal how much resilient they are. Understanding the drivers of resilience may help us to design strategies and actions to mitigate the effects of disturbances and consequently the potential loss of biodiversity. Those are the main reasons why I am studying demographic resilience in lizards.

            Lizards are excellent models to study demographic resilience because they are small (minor dispersal/migration effects), abundant (demography is very data-hungry!), ectothermic, and have a high diversity of life history strategies. Being ectothermic means that their body temperatures and metabolism are regulated by environmental temperatures, leading to higher susceptibility to small changes in their environments. In fact, because of this characteristic, many lizard species are projected to be in danger (toasted) due to climate change in this century (2, 3). Because of increasing temperatures outside their preferred ranges, lizards will have fewer hours of activity to survive, grow, and reproduce. The projections are even worse in the tropics, where there is higher biodiversity.

Figure 1. These are some of the lizard species that we are studying. They have strikingly different morphological, ecophysiological, and life history characteristics. Because of their high abundance, diversity, and intrinsic linkage with the environment, they are excellent models to study demographic resilience. Species names: A: Copeoglossum nigropunctatum; B: Micrablepharus atticolus; C: Tropidurus oreadicus; D: Ameivula jalapensis. Figura 1. Estas são algumas espécies de lagartos que nós estamos estudando. Elas têm marcantes diferenças morfológicas, ecofisiológicas e de história de vida. Por causa de suas altas abundâncias, diversidade e intrínseca relação com o ambiente, elas são excelentes modelos para se estudar resiliência demográfica. Nomes das espécies: A: Copeoglossum nigropunctatum; B: Micrablepharus atticolus; C: Tropidurus oreadicus; D: Ameivula jalapensis.

            Fire is a major factor that shapes biodiversity in ecosystem, community, population, and functional levels, especially in fire-prone ecosystems, such as grasslands and savannahs. In Cerrado (Brazilian savannahs), fires naturally occur during the rainy season, being ignited by lightning strikes. However, humans are changing the fire regimes, mainly their frequency, seasonality, and intensity. In Brasília, Brazil, researchers started a fire study project in the 90s to study the effects of different fire regimes upon biodiversity (4). They prescribed fires in different frequencies and timings in plots of varying vegetation formations. In 2005, the Herpetological Team from the University of Brasília (coordinated by Dr Guarino Colli) installed pitfall traps to monitor the effects of these different fire regimes on the lizards. I had the opportunity to work and study in those plots, where we collect monthly data since the beginning of the study until today. So, we have more than 15 years of monthly data from different lizard populations in varying fire regimes. At the community level, we already found that severer fire regimes had different vegetation structures, which influenced the microclimatic conditions that lizards experience (generally drier and hotter), leading to differences in the abundances among species (5, 6).

Figure 2. Prescribed fire (left) and fire scar (right) at the Serra Geral region, Almas, Tocantins, Brazil. Figura 2. Queimada prescrita e cicatriz de queimada na região de Serra Geral, Almas, Tocantins, Brasil.

            This dataset allows us to investigate the mechanisms that drive the demographic resilience components: compensation, resistance, and time recovery. Using stochastic Integral Projection Models (IPMs – a type of structured population model; 7, 8), we are now relating the weather, microclimatic, and ecophysiological conditions that the populations are submitted in these different fire regimes. With this monthly data, we were able to build very time high-resolution models for different species and fire regimes. We hope that this approach will help us to better understand and predict the population responses to different fire and climatic disturbance regimes.

Figure 3. We make laboratory experiments with the lizards to measure their preferred temperatures (left) and thermal locomotor performance curves (right). For the preferred temperatures, we put the lizards in a temperature gradient for one hour and measure their body temperature every minute. For the locomotor performance, we varied the body temperatures of the lizards and stimulated them to run in a sprint platform that was video-recorded. Figura 3. Nós realizamos experimentos em laboratório com os lagartos para medir suas temperaturas preferenciais (esquerda) e curvas térmicas de desempenho locomotor (direita). Para as temperaturas preferenciais, nós colocamos os lagartos em um gradiente de temperatura por uma hora e medimos suas temperaturas corporais a cada minuto. Para o desempenho locomotor, nós variamos as temperaturas corporais dos lagartos e os estimulamos para correrem em uma pista de corrida que é gravada em vídeo.

            Since 2018, we (in collaboration with Dr Adriana Malvasio and Thiago Portelinha) have pitfall traps installed in a vegetation gradient at Palmas, Tocantins, where I live, to monitor the lizard populations every month. Last year (2021), we also installed pitfall traps in plots with different fire regimes in Almas, Tocantins. With those additional sampling areas, we hope to validate our mechanistic models to predict the population responses of different species to other localities and estimate the extinction probabilities for the future in different fire and climatic regime scenarios. Follow our social media and other communication links to stay tuned to these and other exciting results that we hope to publish soon!

Figure 4. Pitfall traps are installed in a gradient of varying vegetation structures. Figura 4. Armadilhas de interceptação e queda estão instaladas em um gradiente de variação da estrutura vegetacional.

Written by Heitor Campos de Sousa

(Português)

O ser humano está drasticamente alterando o ambiente em escalas globais, regionais e locais. Além disso, distúrbios, como queimadas e eventos climáticos extremos, estão cada vez mais frequentes e intensos. As populações de plantas e animais podem lidar com estes distúrbios de duas maneiras: compensando ao aumentar o tamanho populacional ou resistir a diminuir seus tamanhos populacionais. O grau em que as populações compensam, resistem e o tempo que elas se recuperam para o estado anterior após distúrbios revela o quanto elas são resilientes. Entender os fatores que afetam a resiliência pode nos ajudar a planejar estratégias e ações para mitigar os efeitos negativos de distúrbios e, consequentemente, a perda potencial de biodiversidade. Essas são as principais razões que estou estudando resiliência demográfica em lagartos.

            Lagartos são excelentes modelos para se estudar resiliência demográfica pois são animais pequenos (baixos efeitos de dispersão/migração), abundantes (demografia é dependente de grande quantidade de dados!), ectotérmicos e possuem alta diversidade de estratégias de história de vida. Por serem ectotérmicos, a temperatura e o metabolismo dos lagartos são regulados pelas temperaturas ambientais, levando a maior susceptibilidade a pequenas mudanças no ambiente. De fato, por causa desta característica, muitas espécies de lagartos estão projetadas a ficarem em perigo (fritos) devido às mudanças climáticas neste século. Devido ao aumento das temperaturas fora da amplitude de suas temperaturas preferenciais, os lagartos terão menos horas de atividade disponíveis para sobreviver, crescer e se reproduzir. As projeções são ainda piores nos trópicos, onde há maior biodiversidade.

            O fogo é um fator crucial que molda a biodiversidade em escalas ecossistêmicas, de comunidade, populacionais e funcionais, especialmente em ecossistemas dependentes do fogo, como campos e savanas. No Cerrado (Savana Brasileira), as queimadas ocorrem naturalmente durante a estação chuvosa, sendo iniciadas por raios. No entanto, o ser humano está alterando os regimes de queima, principalmente suas frequências, sazonalidades e intensidades. Em Brasília, Brasil, pesquisadores iniciaram um projeto de estudo do fogo na década de 90 para se estudar os efeitos de diferentes regimes de queima sobre a biodiversidade. Queimadas eram prescritas em diferentes frequências e meses do ano em parcelas com diferentes formações vegetacionais. Em 2005, a equipe do Laboratório de Herpetologia da Universidade de Brasília (coordenado pelo Dr Guarino Colli) instalaram armadilhas de interceptação e queda para se monitorar os efeitos desses diferentes regimes de queima sobre os lagartos. Eu tive a oportunidade de trabalhar e estudar nessas parcelas, onde coletamos dados mensalmente desde o início do estudo até hoje. Então nós temos mais de 15 anos de dados mensais de diferentes populações de lagartos em variados regimes de queima. Em nível de comunidade, nós já encontramos que regimes de queima mais severos possuem estruturas vegetacionais diferenciadas, as quais influenciam as condições microclimáticas que os lagartos experienciam (geralmente mais secas e quentes), levando a diferenças nas abundâncias entre as espécies.

            Esse conjunto de dados nos permitiu investigar os mecanismos que regulam os componentes de resiliência demográfica: compensação, resistência e tempo de recuperação. Usando Modelos Integrais de Projeção (IPMs – um tipo de modelo populacional estruturado), nós estamos agora relacionando as condições climáticas, microclimáticas e ecofisiológicas em que as populações estão submetidas nesses diferentes regimes de queima. Nós esperamos que essa abordagem nos auxiliará a entender e predizer melhor as respostas das populações a diferentes regimes de queima e climáticos.

            Desde 2018, nós (em colaboração com a Dr^a Adriana Malvasio e Thiago Portelinha) temos armadilhas instaladas em um gradiente vegetacional em Palmas, Tocantins, aonde vivo, para monitorar as populações de lagartos todo mês. Ano passado (2021), nós também instalamos armadilhas de interceptação e queda em parcelas com diferentes regimes de queima em Almas, Tocantins. Com essas áreas de amostragem adicionais, nós planejamos validar nossos modelos mecanicistas para predizer as respostas populacionais de diferentes espécies a outras localidades e estimar a probabilidade de extinção para diferentes cenários futuros de regimes de queima e de clima. Siga nossas redes sociais e outros links de comunicação para ficar ligado a estes e outros resultados interessantes que pretendemos publicar em breve!

Escrito por Heitor Campos de Sousa

Heitor is a PhD candidate in Environmental Sciences at the Federal University of Tocantins, Brazil. He is interested in all aspects of animal ecology and conservation (with focus on the herpetofauna), mainly in long-term monitoring studies in the tropics.

Heitor é estudante de doutorado em Ciências Ambientais na Universidade Federal do Tocantins, Brasil. Ele é interessado em todos os aspectos da ecologia e conservação animal (com foco na herpetofauna), principalmente em estudos de monitoramento de longo prazo.

ResearchGate: https://www.researchgate.net/profile/Heitor-Campos-De-Sousa

Twitter: @BioHeitorSousa

Instagram: @heitorcamposdesousa

This project is partially funded by the Fundo Brasileiro para a Biodiversidade (FUNBIO), Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), Fundação de Apoio à Pesquisa do Distrito Federal (FAPDF), and the United States Agency for International Development (USAID).

Esse projeto é financiado parcialmente pelo Fundo Brasileiro para a Biodiversidade (FUNBIO), pela Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), pela Fundação de Apoio à Pesquisa do Distrito Federal (FAPDF) e pela Agência dos Estados Unidos para o Desenvolvimento Internacional (USAID).

Some useful references:

1.         P. Capdevila, I. Stott, M. Beger, R. Salguero-Gómez, Towards a Comparative Framework of Demographic Resilience. Trends in Ecology & Evolution 35, 776-786 (2020).

2.         B. Sinervo et al., Erosion of lizard diversity by climate change and altered thermal niches. Science (New York, N.Y.) 328, 894-899 (2010).

3.         L. M. Diele-Viegas, R. T. Figueroa, B. Vilela, C. F. D. Rocha, Are reptiles toast? A worldwide evaluation of Lepidosauria vulnerability to climate change. Climatic Change, 1-36 (2020).

4.         H. S. Miranda et al., in Reserva Ecológica do IBGE: Biodiversidade Terrestre, vol. 1, M. L. Ribeiro, Ed. (IBGE, Rio de Janeiro, 2011), pp. 163-177.

5.         H. C. d. Sousa et al., Fire regimes and the demography of the lizard Micrablepharus atticolus (Squamata, Gymnophthalmidae) in a biodiversity hotspot. South American Journal of Herpetology 10, 143-156 (2015).

6.         B. M. Costa, D. L. Pantoja, H. C. Sousa, T. A. de Queiroz, G. R. Colli, Long-term, fire-induced changes in habitat structure and microclimate affect Cerrado lizard communities. Biodiversity and Conservation 29, 1659-1681 (2020).

7.         C. Merow et al., Advancing population ecology with integral projection models: A practical guide. Methods in Ecology and Evolution 5, 99-110 (2014).

8.         S. C. Levin et al., ipmr: Flexible implementation of Integral Projection Models in R. Methods in Ecology and Evolution2021, 1826-1834 (2021).