ETD

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Ecosystems are complex and multifaceted entities, characterized by a multitude of phenomena and dynamics shaped by species and their interactions. Recently, network science has provided ecologists with mathematical tools to study ecosystems holistically and enabling the understanding of their emergent properties arising from interactions among species. Ecological networks come in many forms, but food webs, representing predator-prey interactions, have captured the most attention. Numerous mathematical descriptors have been developed for analyzing the architecture of food webs and characterizing the role of individual species as well as the sources of vulnerability for the system. Characterizing the topological and structural properties of a marine food web can be used to improve marine management, to recognize keystone species or to predict extinction cascades and shift in the trophic regime that could cause the collapse of marine systems allowing the implementation of conservation policies and restoration interventions.
In the present thesis, the marine food web of the Tuscan Archipelago (TA) was compiled using data of species abundance obtained during periodic surveys at four islands: Montecristo, Pianosa, Capraia and Giannutri. Biological data were collected at multiple shallow (5-10 m) rocky reefs in each island, using visual sampling protocols to estimate the abundance of the fishes and benthic species. Trophic data was collected from scientific literature, reviewed, and then used to construct the network. The final food web encompassing 121 species (nodes) and 871 trophic links was analyzed to characterize its topological and structural properties and the role of individual taxa in maintaining system functioning. Simulations were performed to assess the robustness of the network to species extinctions, while node-level metrics were used to identify critical connectors and keystone taxa mediating top-down and bottom-up processes.
The TA food web is dominated by omnivores taxa, with half of the species occupying intermediate trophic levels, followed by apical groups. The food web shows several features consistent with marine food webs reported in the literature, including low connectance, short average path length (indicating that species are connected through few trophic steps), high clustering coefficient and low modularity. The network exhibits an exponential degree distribution, with most nodes having few links and only a small number showing very high connectivity. Extinction analysis showed that the food web is vulnerable to the loss of most connected and central species whereas it is robust to the loss of random or loosely connected species. Local analysis revealed important nodes for the structure of the food web. Groups that have a significant control effect through top-down processes are predators like Epinephelus marginatus, Scorpaena porcus, Seriola dumerili and herbivores like Paracentrotus lividus and Sarpa salpa. These last two are also important nodes because they act as connectors, being highly central and linked to several other nodes. These two species are therefore fundamental in connecting parts of the network and have a key role in defining its trophic structure. The lower trophic levels, mainly producers and primary consumers, are those that control through bottom-up processes. Major groups include detritus, phytoplankton and zooplankton, followed by benthic mollusks and crustaceans and macrophytes. These results highlight the potential effects that overexploitation due to excessive recreational and commercial fishing of species like E. marginatus and S. dumerili or P. lividus may have on the system, suggesting future lines of research and the main conservation actions to be implemented to safeguard the ecosystem integrity.

Gli ecosistemi sono entità complesse e multisfaccettate, caratterizzate da una moltitudine di fenomeni e dinamiche plasmate dalle specie e dalle loro interazioni. Recentemente, l’applicazione della network science ha permesso agli ecologi di usare strumenti matematici per studiare gli ecosistemi in modo olistico e comprendere le proprietà emergenti che derivano dalle interazioni tra le specie. I network ecologici assumono molte forme, ma le reti trofiche, che rappresentano le interazioni predatore-preda, hanno attirato la maggiore attenzione. Sono stati sviluppati numerosi descrittori matematici per analizzare l’architettura delle reti trofiche e per caratterizzare il ruolo delle singole specie così come individuare fonti di vulnerabilità per il sistema. La caratterizzazione delle proprietà topologiche e strutturali di una rete trofica marina può essere utilizzata per migliorare la gestione della biodiversità marina, per riconoscere specie chiave (keystone species), oppure per prevedere cascate di estinzione e cambiamenti nel regime trofico che potrebbero causare il collasso dei sistemi marini, consentendo così l’implementazione di politiche di conservazione e interventi di ripristino.
Nella presente tesi, la rete trofica marina dell’Arcipelago Toscano (AT) è stata costruita utilizzando dati di abbondanza delle specie ottenuti durante monitoraggi periodici condotti in quattro isole: Montecristo, Pianosa, Capraia e Giannutri. I dati biologici sono stati raccolti in più scogliere rocciose superficiali (5-10 metri) di ciascuna isola, utilizzando protocolli di campionamento visivo per stimare l’abbondanza dei pesci e delle specie bentoniche. I dati trofici sono stati ricavati dalla letteratura scientifica, revisionati e successivamente utilizzati per costruire il network. La rete trofica finale, comprendente 121 specie (nodi) e 871 legami trofici, è stata analizzata per caratterizzarne le proprietà topologiche e strutturali e il ruolo dei singoli taxa nel mantenimento del funzionamento del sistema. Sono state eseguite simulazioni per valutare la robustezza della rete rispetto alle estinzioni delle specie, mentre metriche a livello di nodo sono state utilizzate per identificare connettori critici e taxa chiave che mediano processi top-down e bottom-up.
La rete trofica marina dell’arcipelago Toscano (AT) è dominata da taxa onnivori, con metà delle specie che occupano livelli trofici intermedi, seguiti da gruppi apicali. Il food web AT mostra diverse qualità coerenti con quelle riportate in letteratura scientifica, fra cui una bassa connettività, un bassa distanza media che indica come le specie siano connesse attraverso pochi passaggi trofici, un elevato coefficiente di clustering e bassa modularità. Il network è caratterizzato da una distribuzione esponenziale del numero di connessioni di un nodo (grado, o “degree”), con la maggior parte dei nodi che presentano poche connessioni e solo un piccolo numero di nodi che presentano un connettività molto elevata. L’analisi delle estinzioni ha mostrato che la rete trofica è vulnerabile alla perdita delle specie più connesse e centrali, mentre risulta robusta rispetto alla perdita di specie casuali o debolmente connesse. L’analisi locale ha rivelato nodi importanti per la struttura della rete trofica. I gruppi che esercitano un controllo significativo attraverso processi top-down sono predatori come Epinephelus marginatus, Scorpaena porcus e Seriola dumerili, ed erbivori come Paracentrotus lividus e Sarpa salpa. Questi ultimi due sono nodi importanti anche perché agiscono come connettori, essendo altamente centrali e caratterizzati da un elevato numero di connessioni. Sono quindi fondamentali nel collegare diverse parti del network e svolgono un ruolo chiave nel definirne la struttura trofica. I livelli trofici inferiori, costituiti principalmente da produttori e consumatori primari, sono quelli che esercitano il controllo attraverso processi bottom-up. I principali gruppi includono detrito, fitoplancton e zooplancton, seguiti da molluschi e crostacei bentonici e macrofite. Questi risultati evidenziano i potenziali effetti del sovrasfruttamento di specie come E. marginatus e S. dumerili o P. lividus, dovuto ad una eccessiva pesca ricreativa e commerciale, suggerendo linee di ricerca future e le principali azioni di conservazione da implementare per salvaguardare l’integrità del sistema marino costiero del AT.