TU Darmstadt / ULB / TUprints

On the Emergence of Macroecological Patterns in Meta-Community Models

Hamm, Michaela (2020):
On the Emergence of Macroecological Patterns in Meta-Community Models.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011380,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: On the Emergence of Macroecological Patterns in Meta-Community Models
Language: English
Abstract:

A recurring question in ecology is how species diversity arises and persists. Theoretical ecology tries to find underlying principles that explain spatial and temporal species diversity. Models are a valuable tool for this endeavour as they allow to study systems in well-known settings and pin down decisive processes that shape diversity. Consensus on the core mechanisms that shape diversity is achieved, namely an interplay of evolutionary and spatial processes, but many aspects still need to be included in an overarching theory. One aspect often neglected in models for the sake of simplicity is spatial heterogeneity even though heterogeneity is considered a main driver for species diversity. A similar problem exists for trophic structure. Food web theory has successfully reduced the high dimensional complexity of an ecosystem to predator-prey interactions and proven to capture essential features of empirical food webs like fraction of basal, intermediate and top species. Still many models that try to answer which processes shape diversity neglect food web structure. This work incorporates both aspects, food web structure and spatial heterogeneity, into the model-based examination of species diversity. Two different food web models considering different scales of space and time are studied: First, a meta-food web model on smaller spatial scales with classical population dynamics to examine diversity patterns found in heterogeneous landscapes and particularly at ecotones. The model suggests that the coupling strength between habitats is crucial for the final outcome of species diversity. A hump-shaped diversity-dispersal relation is observed which is enhanced compared to former studies in homogeneous spatial settings. Second, a new evolutionary food web model developed in this work which is employed to study species diversity on large spatial and temporal scales first in homogeneous and then in heterogeneous landscapes. In both settings the model reproduces a set of well-known empirical diversity patterns, namely species-area relationship, range size distribution, similarity decay of diversity with distance as well as lifetime distributions and evolution of species range sizes, but the exact shape of the relations depends on the spatial setting. Trophic levels have major impacts on the dynamics of species in both settings. Basal species have larger ranges and longer lifetimes than species on higher trophic levels. The most striking difference occurs in geographic range size evolution curves. Homogeneous spatial settings lead to symmetric curves for basal species, whilst in heterogeneous systems these curves become asymmetric. This work demonstrates that heterogeneity and complex trophic structure must not be neglected and can easily extend existing ecological models. This enhances the usability of such tools in tackling the questions related to the emergence of biodiversity in space and time. The good agreement with many results found in real systems indicates that the models presented here, despite their simplicity, capture the essence of the processes at work in reality. Consequently such models can guide future research direction and help specify empirical testable hypotheses.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Ein wiederkehrendes Thema in der Ökologie ist die Frage nach der Entstehung und dem Erhalt von Artenvielfalt. Die theoretische Ökologie widmet sich der Suche nach grundlegenden Prinzipien, die Artenvielfalt in Raum und Zeit erklären. Modelle sind bei diesem Bemühen von großem Nutzen, da sie es ermöglichen Systeme unter festen Rahmenbedingungen zu untersuchen und die für die Entstehung von Diversität entscheidenden Prozesse zu identifizieren. Die Interaktion von evolutionären und räumlichen Prozessen bildet die Grundlage aller Mechanismen, die Artenvielfalt ermöglichen, doch viele weitere Aspekte fehlen bisher in einer umfassenden Theorie der Biodiversität. Einer dieser Aspekte ist räumliche Heterogenität. Obwohl dieser Faktor als diversitätsfördernd gilt, verzichten viele Modelle der Einfachheit halber auf die explizite Implementierung von Heterogenität. Ähnlich steht es um die trophische Struktur von Nahrungsnetzen. Die Nahrungsnetztheorie hat erfolgreich die komplexe Struktur von empirischen Ökosystemen auf Räuber-Beute Beziehungen reduziert und gezeigt, dass empirische Strukturen von Nahrungsnetzen, z.b. der Anteil basaler, intermediärer und Top Spezies, erfolgreich reproduziert werden. Trotz dieser Erfolge verzichten viele Modelle auf die Modellierung von Nahrungsnetzen bei der Identifikation von Artenvielfalt fördernden Prozessen. Diese Arbeit widmet sich der Inklusion dieser beiden Aspekte, Nahrungsnetzstruktur und räumlicher Heterogenität, in die modellbasierte Analyse der Entstehung von Artenvielfalt. Dabei kommen zwei verschiedene Modelle auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen zum Einsatz. Zuerst wird ein räumlich kleineres Meta-Nahrungsnetz mit Hilfe expliziter Populationsdynamik betrachtet und der Einfluss von räumlicher Heterogenität sowie der Spezialfall von Ökotonen auf die Artenvielfalt untersucht. Dabei zeigt sich, dass die Kopplungsstärke zwischen den Habitaten ausschlaggebend für die beobachtete Diversität ist. Die Diversität aufgetragen über der Kopplungsstärke zeigt einen unimodalen Verlauf, der auch schon in früheren Studien in homogenen Systemen gefunden wurde. Im heterogenen System ist der Verlauf ausgeprägter als in homogenen Systemen. Das zweite Model, welches im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde, gehört zur Klasse der evolutionären Nahrungsnetzmodelle und erweitert den räumlichen und zeitlichen Horizont. Das Modell reproduziert eine Vielzahl empirisch bekannter Artenvielfaltmuster nämlich SAR, RSD, Arten-Ähnlichkeitsabfall mit der Distanz sowie Lebensdauerverteilungen und Zeitreihen der geographischen Verbreitung von Spezies. Das trophische Level hat einen entscheidenden Einfluss auf den Verbreitungserfolg von Spezies. Basale Spezies haben es einfacher und verbreiten sich weiter, was sich auch in längeren Lebensdauern äußert. Die besagten Muster werden sowohl in homogenen als auch heterogenen räumlichen Strukturen mit kleinen Unterschieden beobachtet. Der größte Unterschied erscheint in den Zeitreihen der geographischen Verbreitung von Spezies. Diese bestehen aus einer symmetrischen Kurve von An- und Abschwellen der Verbreitung in homogenen Systemen, im heterogenen System wird diese Kurve asymmetrisch mit einer verlängerten Phase des Abschwellens. Diese Arbeit zeigt, dass trophische Struktur und räumliche Heterogenität nicht vernachlässigt werden dürfen und demonstriert, dass beide Faktoren in bestehende Modellierung eingearbeitet werden können. Daraus entsteht eine breitere Anwendungsmöglichkeit für diese Art von Modellen und die Fragen nach der Entstehung von Artenvielfalt können umfassender untersucht werden. Obgleich seiner Einfachheit, zeigt die gute qualitative Übereinstimmung der Ergebnisse dieses Modells, dass die grundlegenden Prozesse in einer sinnvollen Weise kombiniert wurden. Folglich eignen sich solche Modelle um die Richtung zukünftiger Forschung einzugrenzen und neue Hypothesen zu formulieren, die empirisch getestet werden können.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics
05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics > Statistische Physik und komplexe Systeme
Date Deposited: 05 Feb 2020 09:09
Last Modified: 05 Feb 2020 09:09
DOI: 10.25534/tuprints-00011380
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-113808
Referees: Drossel, Prof. Dr. Barbara and Liebchen, Prof. Dr. Benno
Refereed: 18 December 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11380
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