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Dynamik alters- und stadienstrukturierter Populationen

Guill, Christian Pierre :
Dynamik alters- und stadienstrukturierter Populationen.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Dynamik alters- und stadienstrukturierter Populationen
Language: German
Abstract:

Die Dynamik biologischer Populationen kann mit gewöhnlichen Differentialgleichungen beschrieben werden, deren Variablen die numerische Größe oder die Biomasse der Populationen sind. Mit diesem Ansatz lassen sich Nahrungsaufnahme, Reproduktion und Mortalität als biologische Raten berücksichtigen. Dabei werden jedoch Unterschiede zwischen den Individuen einer Population vernachlässigt. In aller Regel durchlaufen Individuen nach der Geburt zunächst körperlichesWachstum und Reifung, bevor sie in der Lage sind, sich fortzupflanzen. In dieser Arbeit werden verschiedene Ansätze diskutiert, mit denen die Unterschiede zwischen den Individuen einer Spezies berücksichtigt werden können, und die Implikationen, die sich daraus für die Dynamik der Populationen sowie für die Stabilität von Artengemeinschaften ergeben, werden untersucht. Der erste Ansatz geht von einer Unterteilung der Populationen in ein juveniles und ein adultes Stadium aus. Juvenile Individuen setzen aufgenommene Nahrung nur in körperliches Wachstum um, während adulte Individuen die Nahrung in Reproduktion investieren. Es wird gezeigt, dass Populationen mit einer derartigen Stadienstruktur alternative stabile Zustände annehmen können. Diese Populationszustände unterscheiden sich hinsichtlich des Biomassenverhältnisses der Stadien sowie hinsichtlich des Prozesses, der die Populationsgröße insgesamt limitiert. Die Untersuchung der Bedingungen, unter denen die alternativen stabilen Zustände auftreten, sowie der Bifurkationen, in denen diese Zustände entstehen, bilden den ersten Schwerpunkt der Arbeit. Die Individuen der verschiedenen Entwicklungsstadien einer Spezies haben unterschiedliche Körpergrößen. Da Räuber-Beute-Beziehungen unter anderem durch das Verhältnis der Körpergrößen der interagierenden Individuen bestimmt werden, kann dies dazu führen, dass die Stadien einer Population unterschiedliche Räuber- und Beutespezies haben. Zusammen mit den zuvor untersuchten dynamischen Eigenschaften stadienstrukturierter Populationen beeinflusst dies die Stabilität ökologischer Artengemeinschaften. Die Entwicklung eines körpermassenbasierten Nahrungsnetzmodells und die Analyse der Auswirkungen stadienstrukturierter Populationen auf die Struktur und die Stabilität der Modellnetzwerke stellt den zweiten Schwerpunkt der Arbeit dar. Netzwerke mit strukturierten Populationen sind stabiler als solche mit homogenen Populationen, zudem wird ein positiver Zusammenhang zwischen der Größe (Diversität) und der Stabilität der Nahrungsnetze gefunden. Die Dynamik von Populationen, deren Reproduktion durch jahreszeitlichen Einfluss periodisch getrieben ist, wird statt durch rein kontinuierliche Differentialgleichungen besser durch solche beschrieben, in denen die Erzeugung neuer Individuen nur zu diskreten Zeitpunkten erfolgt. Dies führt zur Ausbildung diskreter Alterskohorten, die sich hinsichtlich ihrer Körpergröße und ihres Jagdverhaltens unterscheiden können. Im letzten Teil der Arbeit wird dieser Ansatz gewählt, um die Populationsdynamik einer konkreten Modellspezies, der pazifischen Sockeye-Lachse, zu analysieren. Deren Populationen weisen zum Teil auffällige Oszillationen auf. Es wird gezeigt, dass sich der gewählte Modellierungsansatz auf eine diskrete Abbildung zurückführen lässt und dass sich die Populationsoszillationen damit als Attraktor der Dynamik erklären lassen, der durch eine starke Resonanz infolge einer Neimark-Sacker-Bifurkation entsteht.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The dynamics of biological populations can be described by ordinary differential equations, the variables in which being either the numerical size or the biomass of the populations. These equations account for food consumption, reproduction, and mortality as biological rates. However, they neglect differences between the individuals of a population. The individuals of virtually every species undergo somatic growth and development after birth, before they are able to reproduce. In this dissertation, several approaches are discussed that take these differences between the individuals of a population in account and the resulting implications for the dynamics of the populations as well as for the stability of ecological communities are analysed. The first approach divides populations into a juvenile and an adult stage. Juvenile individuals invest consumed food only in somatic growth, while adult individuals do not grow but reproduce. It is shown that populations with this kind of stage structure can possess alternative stable population states. These states differ with respect to the biomass ratio of the two stages and with respect to the biological process that limits the overall population size. Analysing the conditions that lead to the emergence of alternative states and of the bifurcations in which the different population states are created is the first focus of this work. The individuals of different ontogenetic stages have different mean body sizes. Since predator-prey interactions are at least partly determined by the body-mass ratio of the interacting individuals, this means that the stages of a population can have different sets of predator and prey species. Combined with the dynamical properties of stagestructured populations analysed before this influences the stability of ecological communities. The development of a food-web model based on body-size information and the analysis of the effects of stage-structured populations on the structure and stability of the model networks is the second focus of this work. It is found that the stage structure enhances the stability of the networks and that the network stability is an increasing function of diversity. The dynamics of populations with seasonally driven reproduction is not adequately described by purely time continuous differential equations. In such a situation, equations in which reproduction takes place only at discrete moments in time should be used. This leads to the creation of discrete cohorts that may differ by their mean body sizes and their foraging behaviour. In the last part of the dissertation, the population dynamics of the pacific sockeye salmon are analysed. Several populations of this salmon species display remarkable population oscillations. It is shown that the modelling approach chosen can be reduced to a time-discrete map and that the oscillations can be explained as an attractor of the dynamics that emerges due to a strong resonance associated with a Neimark-Sacker bifurcation.English
Uncontrolled Keywords: Ökologie, Populationsdynamik, nichtlineare Dynamik, Nahrungsnetze, mathematisches Modell, Computersimulation
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Ökologie, Populationsdynamik, nichtlineare Dynamik, Nahrungsnetze, mathematisches Modell, ComputersimulationGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik
Fachbereich Physik > Condensed matter physics > Bio Physics
Fachbereich Physik > Condensed matter physics
Fachbereich Physik > Condensed matter physics > Statistische Physik und komplexe Systeme
Date Deposited: 01 Feb 2011 08:01
Last Modified: 07 Dec 2012 11:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-24118
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Drossel, Prof. Dr. Barbara and Alber, Prof. Dr. Gernot and Brose, Prof. Dr. Ulrich
Refereed: 15 December 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2411
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  • Dynamik alters- und stadienstrukturierter Populationen. (deposited 01 Feb 2011 08:01) [Currently Displayed]

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