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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Os recifes são os ecossistemas marinhos mais complexos, biodiversos e produtivos. Embora representem menos de 0.09% da superfície dos oceanos, esses ambientes sustentam processos ecológicos fundamentais, como a reciclagem de nutrientes, alimentação, reprodução e evolução de muitas espécies. Nestes ecossistemas se dão relações não lineares entre variáveis físicas (temperatura, acidez, salinidade, oxigênio dissolvido) e componentes bióticos (produção primária e abundância das espécies). Entre as interações físicas, a temperatura da água é um fator crucial que pode afetar a fenologia, o crescimento e as relações tróficas de muitas espécies recifais. Entre as interações biológicas, é sabido que a colonização de águas rasas por peixes herbívoros pode ter facilitado a formação dos recifes como os conhecemos hoje em dia, levando a mudanças nas relações tróficas destes ambientes. Apesar de avanços recentes, ainda falta uma compreensão geral das relações de temperatura e interações tróficas em ambientes recifais do Atlântico Ocidental. Este estudo, com enfoque matemático das relações tróficas recifais e da dependência delas com a temperatura, foi feito em escalas local e regional, e com enfoques ecossistêmico, de comunidade e específico. Tentamos preencher uma lacuna de conhecimento e oferece uma oportunidade para o teste de teorias ecológicas, incluindo a descoberta de novos padrões macroecológicos. Esta tese está organizada em três capítulos, nos quais exploramos a relação da temperatura e de recursos disponíveis com as espécies de peixes recifais de três maneiras distintas. No primeiro capítulo, através de experimento de campo controlado no ecossistema recifal do Atol das Rocas, testamos modelos mecanicistas da resposta funcional do peixe herbívoro Acanthurus chirurgus com seu recurso alimentar a alga Digenea simplex. Os resultados indicam que o processo de herbívoria por A. chirurgus é melhor descrito por um modelo onde a quantidade de alga e a densidade de A. chirurgus são igualmente importantes para definir o consumo per capita de recurso. Estes resultados aportam nova luz sobre a dinâmica das interações peixes herbívoros - algas no Atlântico Ocidental, evidenciando a fundamental importância de considerar o efeito da densidade do consumidor em modelos peixe herbívoro-alga para ecossistemas recifais. No segundo capítulo, modelamos a teia trófica do Atol das Rocas e analisamos as mudanças na biomassa disponível e fluxos de energia em todos os níveis tróficos como uma resposta ao aquecimento do oceano ao longo do século 21. Os resultados suportam a hipótese que num Oceano Atlântico mais quente, as interações tróficas dos organismos recifais devem se modificar e diminuir, provocando uma diminuição na eficiência de transferência de biomassa para os consumidores primários e secundários. No caso do Atol das Rocas, até 2100, a biomassa total do ecossistema diminuirá em 1%, 8% e 44% nos cenários de baixas, médias e altas emissões de CO2. Isto alterará a estrutura trófica do ecossistema recifal, deixando-o dominado por produtores primários (turfs de algas) e peixes invertívoros, enquanto predadores de topo, consumidores primários e corais escleractínios diminuirão severamente. Tal modificação da teia trófica diminuirá o fluxo de energia, o que resultará num ecossistema menos produtivo e com maior dependência de subsídios pelágicos. No terceiro capítulo, utilizamos dados de tamanho medio individual de peixes recifais ao longo de 61° graus de latitude no Atlântico Ocidental (desde a Carolina do Norte, EUA até́ Santa Catarina, Brasil), para testar a existência de um padrão não linear na relação entre o tamanho médio individual e a temperatura da água do mar. Os resultados obtidos indicam que não existe uma relação global não linear entre o comprimento médio de peixes e a temperatura da água do Oceano Atlântico. Ao, contrario, esta relação é especie-specifica: negativa para seis espécies e positiva para três espécies. Com esta tese, espero contribuir com a construção de uma base mais sólida e geral sobre os fatores (físicos e biológicos) que influenciam um dos processos mais importantes nos ecossistemas recifais: o consumo alimentar (predação) e a consequente conversão de recursos em nova biomassa disponível. Reef ecosystems are the most complex, biodiverse and productive marine systems. Despite representing less than 0.09% of the surface of the oceans, these ecosystems sustain fundamental ecological processes, such as nutrient recycling, feeding, reproduction and evolution of many species. In these ecosystems there are non-linear relationships between physical variables (temperature, acidity, salinity, dissolved oxygen) and biotic components (primary production and species abundance). On the physical side, water temperature is a crucial factor that can affect the phenology, growth and trophic interactions of many reef species. On the side of biological interactions, it is known that the colonization of shallow waters by herbivorous fish may have facilitated the formation of reefs as we know them today, leading to specific changes in the trophic relationships within these environments. Surprisingly, there is a lack of general understanding on how temperature, resource availability and trophic interactions jointly shape reef environments in the western Atlantic Ocean. The study uses mathematical approaches to unravel reef trophic interactions and their dependence on temperature and resource availability, with enormous potential for the consolidation of ecological theories or the discovery of new ecological patterns. This thesis is organized in three chapters, in which we explore the relationship of temperature and available resources on reef species standing biomass in three different ways. In the first chapter, using a controlled field experiment on the reef of Rocas Atoll, we tested mechanistic models of the functional response of the fish Acanthurus chirurgus with its resource algae Digenea simplex. The results indicate that the herbivory process by A. chirurgus is best described by a model where the amount of algae and the density of A. chirurgus are equally important to define the per capita resource consumption. These results shed new light on the dynamics of herbivorous fish-algae interactions in the western Atlantic Ocean, highlighting the fundamental importance of considering the effect of consumer density on herbivore-plant models for reef ecosystems. In the second chapter, we modeled the food web of Rocas Atoll reef ecosystem and analyzed the changes in standing biomass and energy flow through all trophic levels in response to future warming over the 21st century. By the end of the century, total standing biomass will decrease by 1%, 8 % and 44% under low, medium and high ocean warming scenarios. As total biomass decreases, the ecosystem structure shifts and favor invertivorous fishes, suspension feeding zooplankton, and algal turfs while corals collapse. Moreover, we projected that the mean ecosystem trophic transfer efficiency will decrease by ~2% between 2012 and 2100, leading to less efficient and slower biomass transfers in the future reef state. Such food web degradation can alter the dominant biomass flow jeopardizing biomass replenishment, resulting in a less productive ecosystem with increasing dependency on pelagic energy subsidies. In the third chapter, we used data on reef fish body size over 61° degrees of latitude in the Western Atlantic (from North Carolina, USA to Santa Catarina, Brazil). We tested for the existence of a non-linear relationship between the mean fish body size and sea water temperature (SST). We found no clear indication that seawater temperature is affecting the mean body length of reef fish across species. We provide comprehensive evidence that 31% of species (n= 6) were smaller in warmer waters, while 15% (n = 3) were bigger in warmer waters throughout the species’ natural distribution. We also found no relationship between the species’ maximum observed length and the sensitivity to increasing sea water temperature in the spatial distribution range observed for each species. With this thesis, we hope to contribute to the construction of a more solid and general basis on the factors (physical and biological) that influence one of the most important biological processes in reef ecosystems: resource intake (predation) and the consequent conversion of resources into new living biomass. 2022-09-26

We provided comprehensive empirical comparisons of alternative functional response models for the herbivore fish Acanthurus chirurgus (Bloch, 1787) and the red macroalgae Digenea simplex ((Wulfen & Agardh, 1822) as its prey in the Rocas Atoll, a pristine South Atlantic'sreef ecosystem. Raw data and code is available in the main folder Data_S1. Please read MetadataS1documentationto enable interpretation and reuse of the code including specific instructions for how to rerun analyses presented in the paper. &nbsp

rio Tapajós é o quinto maior afluente do rio Amazonas e apresenta uma das faunas de peixes mais diversas do mundo. Esses peixes realizam funções ao longo de toda a bacia hidrográfica da Amazônia, como a dispersão de sementes, a ciclagem de nutrientes e o transporte de biomassa entre rios pobres e ricos em nutrientes. Porém, a pesca e o desmatamento podem afetar esses serviços ecossistêmicos. Para o baixo rio Tapajós ainda não se conhece os efeitos da pesca e do desmatamento nas dinâmicas populacionais das principais espécies de peixes consumidos pelas populações ribeirinhas. Definir e quantificar a estrutura da teia trófica do baixo rio Tapajós é fundamental para a compreensão da sua capacidade produtiva, e da transferência de energia para sustentar os níveis tróficos superiores. O presente estudo teve como principais objetivos analisar a estrutura da teia trófica do baixo Rio Tapajós, e avaliar a dinâmica populacional de algumas espécies de peixes simulando o incremento da pesca e do desmatamento. Para modelar a teia trófica foi utilizado o programa Ecopath com dados de desembarques pesqueiros e analise de conteúdo estomacal de peixes. Os resultados mostraram que a transferência de energia na teia trófica do Rio Tapajós se dá igualmente entre as cadeias de herbivoría e detritivoría. As espécies-chave são piscívoras- insetívoras: Acaronia nassa, Cichla spp., Pellona castelnaeana e também predadores de topo, como os botos (Inia geoffrensis, Sotalia fluviatilis). As simulações para os próximos 30 anos indicaram que: o desmatamento é o maior fator de estresse para a teia trófica, reduzindo entre 10% e 100% a biomassa dos principais grupos biológicos; o aumento da pesca incidiu negativamente na dinâmica populacional de quelônios, pirarucu, dourada e pescada levando uma diminuição de biomassa entre 40% e 100%. Os resultados deste estudo quantificam com maior precisão a função da pesca e desmatamento na dinâmica populacional dos principais peixes de importância alimentar e comercial das populações ribeirinhas do baixo Rio Tapajós, sendo relevantes para iniciativas de manejo desse ecossistema.