Feeding in marine mammals: An integration of evolution and ecology through time
Plain Language Abstract
Marine mammals (seals, sea lions and walruses, whales, dolphins, porpoises, manatees and dugongs, marine otters, and polar bears) act as consumers at nearly every trophic level from top predators feeding on birds and mammals to herbivores feeding on sea grasses. Their diverse feeding strategies are associated with specializations of the head driven by genetic and developmental mechanisms. Data analyzed from the Paleobiology Database provide information on the origin and timing of particular feeding strategies through time. Both environmental (e.g., sea level and climate change) and organismal factors (e.g., competition, predation) influence feeding diversity patterns which vary depending on marine mammal group, ocean regions, and timing. Historical diversity patterns can be used to predict the structure and interactions of future marine ecosystems.
Resumen en Español
La alimentación de los mamíferos marinos: integración de evolución y ecología a través del tiempo
Los mamíferos marinos son componentes clave de los ecosistemas acuáticos. Las estrategias de alimentación identificadas en cetáceos, pinnípedos, sirenios, nutrias marinas y osos polares existentes se asocian con especializaciones anatómicas de la cabeza (rostro, paladar, articulación temporomandibular, dientes / barbas, mandíbula). La evidencia genética y ontogenética de la morfología del cráneo y los dientes proporciona los mecanismos que subyacen a los patrones de diversidad alimentaria. Con base en un conjunto de datos de diversidad integral derivado de la base de datos Paleobiology DataBase, consideramos las estrategias de alimentación (succión, mordida, alimentación por filtración, ramoneo), el tipo de presa (calamares, peces, invertebrados bentónicos, zooplancton, tetrápodos, pastos marinos), patrón de dentición y forma de la corona (homodóntico, heterodonto, puntiagudo, redondeado, edéntulo) y hábitat (marino, ribereño, estuarino) en mamíferos marinos fósiles y existentes. A continuación, se probó la correlación de estas variables y se examinaron sus cambios a lo largo del tiempo en relación con las variables de productividad y clima.
Así, presentamos un análisis integrado de la evolución de la estructura trófica y de alimentación en mamíferos marinos y exploramos el origen y el momento de estrategias de alimentación particulares durante los últimos 50 millones de años. De acuerdo con estudios anteriores, los recuentos genéricos actualizados revelan que la mayor diversidad de pinnípedimorfos y cetáceos ocurrió durante el Mioceno tardío (Tortoniense), después del Óptimo Climático del Mioceno Medio. Estos datos históricos se utilizan como marco para informar la estructura pasada y presente y las interacciones tróficas y permitir predicciones sobre los ecosistemas marinos futuros.Los impulsores de la dieta y los patrones de alimentación son tanto ambientales (fluctuaciones del nivel del mar, cambio climático) como bióticos (especializaciones anatómicas, competencia , depredador-presa). La influencia de estos procesos en la paleodiversidad varía según el grupo taxonómico, el momento y la escala geográfica.
Palabras clave: mamíferos marinos; curvas de diversidad; estrategias de alimentación; impulsor biótico y ambiental
Traducción: Francesco Gascó (Grupo de Biología Evolutiva, UNED y Sociedad Española de Paleontología)
Résumé en Français
L’alimentation chez les mammifères marins : une intégration de l’évolution et de l’écologie au cours du temps
Les mammifères marins sont des composantes clés des écosystèmes aquatiques. Les stratégies d’alimentation identifiées chez les cétacés, pinnipèdes, siréniens, loutres marines, et ours polaires actuels sont associées avec des spécialisations anatomiques de la tête osseuse (rostre, palais, joint temporomandibulaire, dents/fanons, mandibule). L’ensemble des données génétiques et ontogénétiques de la morphologie crâniomandibulaire et dentaire fournit les mécanismes qui sont à la base des schémas de diversité d’alimentation. En se basant sur un jeu de données exhaustif sur la diversité, dérivé de la Paleobiology Database, nous avons considéré les stratégies d’alimentation (succion, morsure, filtrage, broutage), les types de proies (calamars, poissons, invertébrés benthiques, zooplancton, tétrapodes, herbiers marins), les schémas dentaires et formes de cuspides (homodonte, hétérodonte, pointu, arrondi, édenté), et les habitats (marin, fluviatile, estuarien) chez les mammifères marins fossiles et actuels. Ces variables ont ensuite été testées pour des corrélations et leurs changements au cours du temps ont été examinés en relation avec les variables de productivité et de climat.
Nous fournissons une analyse intégrée de l’évolution de l’alimentation et de la structure trophique chez les mammifères marins et nous explorons l’origine et le timing des différentes stratégies d’alimentation au cours des 50 derniers millions d’années. En accord avec les précédentes études, les comptes de diversité générique mis à jour révèlent que la plus grande diversité des pinnipédimorphes et des cétacés a été atteinte pendant le Miocène récent (Tortonien), après l’optimum climatique du Miocène moyen. Ces données paléontologiques sont utilisées comme un cadre pour informer la structure et les interactions trophiques actuelles et passées et pour permettre des prédictions sur les futurs écosystèmes marins. Les moteurs des schémas de régime alimentaire et d’alimentation sont à la fois environnementaux (fluctuations du niveau marin, changements climatiques) et biotiques (spécialisations anatomiques, compétition, relations proies-prédateurs). L’influence de ces processus sur la paléodiversité varie selon les groupes taxinomiques, le tempo, et l’échelle géographique.
Mots-clés : mammifères marins ; courbes de diversité ; stratégies d’alimentation ; moteurs biotiques et environnementaux
Translator: Antoine Souron
Deutsche Zusammenfassung
Nahrungserwerb bei Meeressäugern: Integration von Evolution und Ökologie durch die Zeit
Meeressäuger sind Schlüsselkomponenten aquatischer Ökosysteme. Der Nahrungserwerb heutiger Meeressäuger (Wale, Robben, Seekühe, Küstenotter und Eisbären) hängt mit anatomischen Spezialisierungen im Schädel zusammen (Rostrum, Palatinum, Temporomandibulargelenk, Zähne/Barten, Unterkiefer). Genetische und ontogenetische Hinweise der Schädel- und Zahnmorphologie liefern die Mechanismen, die den verschiedenen Arten des Nahrungserwerbs zugrunde liegen. Auf der Grundlage eines umfassenden Diversitätsdatensatzes aus der Paleobiology Database betrachteten wir Nahrungsaufnahme (Saugen, Beißen, Filtern, Weiden), Beutetyp (Tintenfisch, Fisch, benthische Wirbellose, Zooplankton, Tetrapoden, Seegras), Zahnmuster und Höckerform (homodont, heterodont, spitz, abgerundet, zahnlos) und Lebensraum (Meer, Fluss, Ästuar) bei fossilen und heutigen Meeressäugern. Diese Variablen wurden dann auf Korrelation getestet und ihre Veränderungen im Laufe der Zeit in Bezug auf Produktivitäts- und Klimavariablen untersucht. Wir liefern eine integrierte Analyse der Evolution von Nahrungserwerb und trophischer Struktur bei Meeressäugern und untersuchen den Ursprung und den Zeitpunkt bestimmter Strategien in den letzten 50 Millionen Jahren. In Übereinstimmung mit früheren Berichten zeigen aktualisierte Zählungen der Gattungen, dass die größte Vielfalt an Pinnipedimorphen und Walen während des späten Miozäns (Torton) nach dem Klima-Optimum des mittleren Miozäns auftrat. Diese historischen Daten werden als Rahmen verwendet, um über vergangene und gegenwärtige Struktur und trophische Wechselwirkungen zu informieren und Vorhersagen über zukünftige marine Ökosysteme zu ermöglichen. Die Triebkräfte der Ernährungs- und Nahrungserwerbsmuster sind sowohl umweltbedingt (Schwankungen des Meeresspiegels, Klimawandel) als auch biotisch (anatomische Spezialisierungen, Konkurrenz, Räuber-Beute). Der Einfluss dieser Prozesse auf die Paläodiversität variiert je nach taxonomischer Gruppe, Zeitpunkt und geographischem Maßstab.
Schlüsselwörter: marine Säugetiere; Diversitätskurven; Nahrungserwerbsstrategien; biotische und umweltbedingte Triebkräfte
Translator: Eva Gebauer
Arabic
Translator: Ashraf M.T. Elewa
Polski
Żywienie u ssaków morskich: integracja ewolucji i ekologii w czasie
Ssaki morskie są kluczowymi składnikami ekosystemów wodnych. Strategie żywienia współczesnych waleni, płetwonogich, syren, wydr morskich i niedźwiedzi polarnych są związane z anatomicznymi specjalizacjami głowy (rostrum, podniebienie, staw skroniowo-żuchwowy, zęby / fiszbiny, żuchwa). Genetyczne i ontogenetyczne dane o morfologii czaszki i zębów wyjaśniają mechanizmy leżące u podstaw wzorców różnorodności żywieniowej. Opierając się na obszernym zestawie danych dotyczących różnorodności pochodzących z bazy danych paleobiologii, wzięliśmy pod uwagę strategie żywienia (ssanie, gryzienie, filtrowanie, wypas), typ ofiary (kalmary, ryby, bezkręgowce bentosowe, zooplankton, czworonogi, trawy morskie), wzór uzębienia i kształt guzków zębowych (homodontyczne, heterodontyczne, szpiczasty, zaokrąglony, bezzębny) oraz siedlisko (morskie, rzeczne, estuaria) u kopalnych i współczesnych ssaków morskich. Zmienne te następnie przetestowano pod kątem korelacji i zbadano ich zmiany w czasie w odniesieniu do produktywności i zmiennych klimatycznych.
Przedstawiamy zintegrowaną analizę ewolucji żywienia i struktury troficznej ssaków morskich oraz badamy pochodzenie i chronologię poszczególnych strategii pokarmowych w ciągu ostatnich 50 milionów lat. Zgodnie z wcześniejszymi doniesieniami, zaktualizowane dane liczbowe wskazują, że największa różnorodność płetwonogich i waleni wystąpiła w późnym miocenie (torton), po środkowo-mioceńskim optimum klimatycznym. Te dane historyczne są służą jako podstawa do informowania o przeszłej i obecnej strukturze i interakcjach troficznych oraz umożliwiają przewidywanie przyszłych ekosystemów morskich. Czynniki wpływające na dietę i wzorce żywieniowe są zarówno środowiskowe (wahania poziomu morza, zmiany klimatu), jak i biotyczne (specjalizacje anatomiczne, konkurencja, relacje drapieżnik-ofiara). Wpływ tych procesów na paleoróżnorodność jest różny w zależności od grupy taksonomicznej, czasu i skali geograficznej.
Słowa kluczowe: ssaki morskie; krzywe różnorodności; strategie żywienia; czynnik biotyczny i środowiskowy
Translator: Krzysztof Stefaniak or Anna Żylińska
Russian
Питание морских млекопитающих: интеграция эволюции и экологии во времени
Морские млекопитающие являются ключевыми компонентами водных экосистем. Стратегии питания в современных китообразных, ластоногих, сирен, морских выдр и белых медведей связаны с анатомическими приспособлениями головы (рострума, неба, височно-нижнечелюстного сустава, зубов/китового уса, нижней челюсти). Генетические и онтогенетические доказательства морфологии черепа и зубов объясняют механизмы, лежащие в основе разнообразных способов питания. На основе детального набора данных о разнообразии, взятых из Paleobiology Database, мы проанализировали стратегии питания (сосание, кусание, фильтрация, травоядность), тип добычи (кальмары, рыбы, бентические беспозвоночные, зоопланктон, тетраподы, морские травы), тип зубов и форму бугорков (гомодонтный, гетеродонтный, острый, округленный, беззубый) и среду обитания (морская, речная, эстуарная) ископаемых и современных морских млекопитающих. Потом эти переменные проанализировали на наличие корреляций, а их изменения во времени исследовали относительно таких параметров как продуктивность и климат.
Представлен интегральный анализ эволюции питания и трофической структуры в морских млекопитающих и изучены происхождение и время появления разных стратегий питания за последние 50 миллионов лет. Свежие общие расчеты показали, что пиннипедиморфы и китообразные достигли наибольшего разнообразия в позднем миоцене (Тортон) после Среднемиоценового климатического оптимума, что соответствует данным из предыдущих сообщений. Эти исторические данные использованы в качестве основы для интерпретации прошлой и современной структуры и трофических взаимоотношений в морских экосистемах, а также дают возможность сделать прогнозы об их будущем состоянии. Движущими силами рациона и моделей питания являются как абиотические (колебания уровня моря, изменения климата), так и биотические факторы (анатомические приспособления, конкуренция, система «хищник-жертва»). Влияние этих факторов на палеоразнообразие отличается зависимо от таксономической группы, временного периода и географического масштаба.
Ключевые слова: морские млекопитающие; кривые разнообразия; стратегии питания; биотические и абиотические факторы
Translator: Zoltán Barkaszi
Ukrainian
Живлення морських ссавців: інтеграція еволюції та екології в часі
Морські ссавці є ключовими компонентами водних екосистем. Стратегії живлення у сучасних китоподібних, ластоногих, сирен, морських видр та білих ведмедів пов’язані з анатомічними пристосуваннями голови (рострума, піднебіння, скронево-нижньощелепного суглобу, зубів/китового вуса, нижньої щелепи). Генетичні та онтогенетичні докази морфології черепа і зубів пояснюють механізми, що лежать в основі різноманітних способів живлення. На основі детального набору даних про різноманіття, взятих із Paleobiology Database, ми проаналізували стратегії живлення (ссання, кусання, фільтрування, травоїдність), тип здобичі (кальмари, риби, бентичні безхребетні, зоопланктон, тетраподи, морські трави), тип зубів і форму бугорків (гомодонтний, гетеродонтний, гострий, заокруглений, беззубий) і середовище існування (морське, річкове, естуарне) викопних і сучасних морських ссавців. Потім ці змінні проаналізували на наявність кореляцій, а їхні зміни у часі досліджували відносно таких параметрів як продуктивність і клімат.
Подано інтегральний аналіз еволюції живлення і трофічної структури у морських ссавців і досліджено походження і час появи різних стратегій живлення за останні 50 мільйонів років. Поточні загальні підрахунки виявили, що пініпедиморфи і китоподібні досягли найбільшого різноманіття у пізньому міоцені (Тортон) після Середньоміоценового кліматичного оптимуму, що узгоджується з даними попередніх повідомлень. Ці історичні дані використані як основа для інтерпретації минулої і сучасної структури і трофічних взаємовідносин у морських екосистемах, а також дають можливість зробити прогнози про їхній майбутній стан. Рушіями раціону та моделей живлення є як абіотичні (коливання рівня моря, зміни клімату), так і біотичні фактори (анатомічні пристосування, конкуренція, система «хижак-жертва»). Вплив цих факторів на палеорізноманіття відрізняється залежно від таксономічної групи, часового періоду і географічного масштабу.
Ключові слова: морські ссавці; криви різноманіття; стратегії живлення; біотичні і абіотичні фактори
Translator: Zoltán Barkaszi
