| Item Type: |
Ph.D. Thesis |
| Title: |
Towards an understanding of complexity:
How body sizes, preferences and habitat
structure constrain predator-prey
interactions |
| Language: |
English |
| Abstract: |
Many, if not all, ecosystems on earth are threatened by increasing human
populations and resource-intensive economical growth entailing pollution,
eutrophication and habitat fragmentation, to name some of the threats. As many
of these ecosystems provide vital services for mankind there is an urgent need to
understand how the populations and communities within these systems function,
how their stability comes about and might be protected. Therefore we need more
than knowledge about diversity (e.g., how many species are there) but, most
critically, how the complexity of all interacting ecological entities (e.g.,
populations) is structured and constrained. To evaluate critical processes, the
categorical, Linnean classification of biodiversity might hamper an ecosystem-
wide approach resulting in generalised suggestions. Rather, we should address
the interdependent dimensions of organisms' body-sizes and biomass flows as
continuous variables being key to a better understanding of nature. Hence, this
thesis was motivated by the findings of several recent and prominent studies that
highlighted two aspects of community ecology: (1) There are general patterns in
the body-size distributions within food webs that seem to prevail in ecosystems as
different as a coral reef and a forest-floor. (2) These body-size relations in food
webs have profound effects on the quality and quantity of the interactions that
govern the flow of energy and nutrients within these webs and therefore are
fundamental for our understanding of their dynamics and their stability.
To investigate generalities in body-size effects on interaction strengths I
performed various laboratory experiments where prey-density dependent feeding
rates of terrestrial arthropod predators were examined under different
experimental settings. Accordingly, a model framework was established on the
base of taxonomic predator-prey pairs with distinct size-ratios that unravelled
particular size dependencies on the fundamental parameters (i.e., biological
mechanisms) of the interactions (Chapter 2.1.). Furthermore, the statistical
modelling approach was tailored to incorporate these findings in a framework
where exclusion of taxonomic information is the next possible step providing the
opportunity to build a global null model for the interactions of many species-
pairs: In Chapter 2.2. I have shown how allometric information alone explains a
large fraction of the variation in feeding rates although more complex models
comprising taxonomic and allometric information perform better. Nevertheless,
for the analyses of a much more comprehensive dataset in Chapter 2.3. I decided
to skip taxonomic information for the sake of clarity and showed far-reaching consequences on the community-level through the general existence of sigmoid
response curves. One of the outstanding findings of this thesis is that these rules
also comply with body-size relations of predator-prey pairs in natural food webs.
The experiments with systematic variance in predator and prey body sizes
providing the database for the chapters 2.1. - 2.3. were build upon the simplifying
assumption of an idealised environment with one predator and only one prey
species per replicate and a constant level of habitat structure. In contrast, I
increased the complexity of the experimental setting in the concluding two
chapters: In Chapter 2.4. I tested how predictions from single-prey experiments
presented in Chapter 2.1. are suitable to interpret the outcomes of more complex
experiments with two different(-sized) prey species. I found that in contrast to
the allometric null models larger predators favour larger prey to an
unanticipated extent therefore potentially contributing to the mix of weak and
strong interactions stabilising empirical food webs. Finally I tested how the
effects of changing habitat structure (i.e., leaf litter) affects predator-prey
interactions particularly in dynamically changing habitats (chapter 2.5.). It could
be shown that alternating amounts of litter were translated into a dilution effect
impairing predator-prey encounter rates and thereby reducing the potential for
top-down control in litter-dominated systems to a minimum.
Altogether, the results in this thesis emphasise that the regular patterns of
body-size distributions in nature are interdependent with the allometric
constraints on the interactions that connect individuals and populations in food
webs. Furthermore, active preferences towards larger, but usually rarer, prey
together with habitat-structure effects might create the general framework
where patterns of strong and weak feeding links promote the stability of natural
communities. The diversity and intricacy of nature with millions of species
connected by a multiple of interactions often leaves us ecologists with more
questions than answers. Nevertheless, the approaches and results in this thesis
suggest that complexity-reducing, quantitative model frameworks represent a
suitable tool to understand how interactions are shaped and, accordingly, the
functioning and stability of real ecosystems. |
| Alternative Abstract: |
| Alternative Abstract | Language |
|---|
| Fast alle Ökosysteme weltweit sind heute durch menschliche Aktivitäten
gefährdet. Da sie gleichzeitig lebenswichtige Funktionen für die globale
Ernährung und das Wohlergehen der Menschheit sicherstellen, müssen wir
dringend die entscheidenden Prozesse in Ökosystemen und ökologischen
Gemeinschaften besser verstehen. Dabei ist es seit langem ein zentrales Anliegen
zu verstehen, wie die Stabilität von Gemeinschaften und der von ihnen
erbrachten Funktionen gewährleistet wird. Die vorliegende Arbeit knüpft dabei
an viel beachtete, aktuelle Forschungsergebnisse an: (1.) Es gibt allgemeingültige
Muster in den Körpergrößenverteilungen in Nahrungsnetzen. Diese scheinen so
universell zu sein, dass sie in sehr unterschiedlichen Ökosystemen
nachgewiesen werden konnten. (2.) Körpergrößenverhältnisse haben
tiefgreifende Auswirkungen auf die Interaktionen zwischen Individuen,
Populationen und Arten. Diese Interaktionen wiederum bestimmen, wie Energie
und Nährstoffe durch Nahrungsnetze zirkulieren und sind deshalb von
elementarer Bedeutung für Funktion und Stabilität von Ökosystemen.
Um generelle Muster von Körpergrößeneffekten bei Räuber-Beute-
Interaktionen zu untersuchen, führte ich verschiedene Laborexperimente durch.
Dabei habe ich die Beutedichte-abhängigen Fraßraten terrestrischer
Gliederfüßer innerhalb verschiedener experimenteller Ansätze untersucht. Für
die Analysen habe ich ein Interaktionsmodell konzipiert, mit dem ich anhand
taxonomischer Räuber-Beute-Paare mit unterschiedlichen Körpergrößen-
verhältnissen aufzeigen konnte, wie die maßgeblichen Parameter des Modells
von den Körpergrößen abhängig sind (Kapitel 2.1.). In Kapitel 2.2. zeige ich
dann, wie alleine anhand Körpergrößen-basierter Information ein großer Teil der
Varianz in den Fraßraten erklärt werden konnte, auch wenn der komplexere
Modellansatz der taxonomische und Größen-basierte Information miteinbezieht,
bessere Ergebnisse lieferte. In einem weiteren Schritt in Kapitel 2.3. habe ich mit
dem Ansatz aus Kapitel 2.2. einen wesentlich umfangreicheren Datensatz
analysiert. Hier wurde der Einfachheit halber die taxonomische Information
komplett außen vor gelassen. So konnte ich zeigen, dass die
Körpergrößenverteilung in Nahrungsnetzen mit bestimmten,
populationsdynamisch stabilisierenden Motiven in den Fraßraten einhergeht -
den so genannten „Typ III functional responses“ oder „sigmoid responses“. Genau
genommen werden diese stabilisierenden „sigmoid responses“ für große Räuber
auf kleinen Beuten gefunden. Im Folgenden habe ich ein dementsprechend erweitertes Interaktionsmodell in einer Modellsimulation von
Populationsdynamiken angewandt. Ein herausragendes Ergebnis dieser Arbeit
ist der anschließende Befund, dass die Ergebnisse der Simulation zu einem
hohen Maße mit natürlichen Größenverhältnissen von Räuber-Beute-Paaren
übereinstimmen. Die Experimente mit systematischer Varianz der Räuber- und
Beutegrößen, welche die Datengrundlage für die Kapitel 2.1.- 2.3. geliefert
haben, wurden allerdings in einfachen, reduktionistischen Versuchsanordnungen
gewonnen. Um den Bedingungen in natürlichen Lebensräumen etwas näher zu
kommen, habe ich in den beiden abschließenden Kapiteln den experimentellen
Ansatz erweitert: In Kapitel 2.4. habe ich getestet, inwiefern Vorhersagen, die
aus den einfacheren Modellen aus Kapitel 2.1. hergeleitet wurden, belastbar
sind, wenn der Räuber zwischen zwei verschieden großen Beuten (in
unterschiedlichen relativen Dichten) wählen kann. Anhand der Ergebnisse sowie
konzeptioneller Ausführungen konnte ich zeigen, dass die Präferenzen für große
Beuten über das vorhergesagte Maß hinausgingen (ich nenne dieses Phänomen
hier „aktive Präferenz“). Zusammen mit den natürlichen Abundanzen großer und
kleiner Beuten ergeben sich potentielle Muster von Fraßraten, die insgesamt zur
Stabilität von Nahrungsnetzen beitragen können. In Kapitel 2.5. habe ich
abschließend getestet, wie sich der Effekt von variierender Habitatstruktur auf
eine typische Räuber-Beute-Interaktion des Bodennahrungsnetzes auswirkt. Ich
konnte zeigen, dass variierende Mengen von Laubstreu sich in Form eines
Verdünnungseffektes auf Räuber- und Beutedichten auswirken, was vor allem
die Häufigkeit des Zusammentreffens von Räuber- und Beuteindividuen
beeinflusst. Dieses Phänomen sorgt dafür, dass man in Ökosystemen mit großen
Mengen Laubstreu nicht davon ausgehen kann, dass Beutepopulationen von
Räubern kontrolliert werden.
In dieser Arbeit konnte ich zeigen, dass biologische, Körpergrößen-abhängige
Mechanismen bei Räuber-Beute Beziehungen die Stabilität von Nahrungsnetzen
bedingen. Darüber hinaus scheinen aktive Präferenzen für große Beuten
zusammen mit Habitatstruktur-Effekten das typische Muster von wenigen
starken und vielen schwachen Interaktionen in natürlichen, ökologischen
Gemeinschaften zu erzeugen. Die Vielfalt und Komplexität der Natur mit
Millionen von Arten und einem Vielfachen an Interaktionen zwischen diesen
Arten hinterlässt uns Ökologen oftmals mit mehr Fragen als Antworten.
Quantitative Modellansätze, welche die natürliche Komplexität bewusst und
gezielt reduzieren, können daher ein geeignetes Werkzeug sein, um zu verstehen
wie Organismen interagieren. So können wir vielleicht eines Tages die
Funktionsweise und Stabilität von echten Ökosystemen verstehen. | German |
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| Place of Publication: |
Darmstadt |
| Uncontrolled Keywords: |
Gemeinschaftsökologie, Populationsökologie, Räuber-Beute Beziehnugen, Nahrungsnetze, Körpergröße |
| Alternative keywords: |
| Alternative keywords | Language |
|---|
| Community Ecology; Population ecology; Predator-prey interactions; food webs; body size | English |
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| Classification DDC: |
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 590 Tiere (Zoologie) |
| Divisions: |
Biology |
| Date Deposited: |
22 Nov 2012 17:20 |
| Last Modified: |
07 Dec 2012 12:06 |
| URN: |
urn:nbn:de:tuda-tuprints-31649 |
| License: |
Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0 |
| Referees: |
Brose, Prof. Ulrich and Blüthgen, Prof. Nico |
| Refereed: |
20 July 2012 |
| URI: |
http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3164 |
| Export: |
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