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Evolutionary food web models in fragmented landscapes

Allhoff, Korinna Theresa :
Evolutionary food web models in fragmented landscapes.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Evolutionary food web models in fragmented landscapes
Language: English
Abstract:

Ecosystems all over the world currently experience dramatic changes in their environment. The direct consequences are increased extinction rates. Food webs, which are networks of predator-prey interactions, provide a basic understanding of ecosystems and therefore help to identify reasonable conservation strategies.

In this thesis, I analyze evolutionary metacommunities, which can be modeled as evolutionary networks of networks: The outer networks represent fragmented landscapes of several habitats. The inner networks describe localized food webs on these habitats. New species emerge as modifications of existing species and population dynamics determines how the species interact and which species are viable. Additionally, species are able to migrate between the habitats. In contrast to previous studies that focus either on evolutionary or on spatial aspects, I include both and investigate the interplay between them.

I use two different evolutionary food web models to describe the local dynamics. The first model was introduced by Loeuille and Loreau in 2005 [1]. It characterizes a species by its average adult body mass, which is the only evolving trait. The resulting networks show a regular pattern and are remarkably stable. My analysis of several model variants reveals that a model has to fulfill two conditions to provide more realistic network structures: It should allow for the evolution of more traits in addition to body mass and it should restrict each evolving trait to realistic boundaries.

Based on these results, I introduce a new model. It is less abstract than earlier models of this type in the sense that all evolving traits have a clear biological meaning. The species are characterized by their average adult body mass, their preferred prey body mass, and the width of their potential prey body mass spectrum. The resulting networks cover a wide range of sizes and structures and show a high similarity to natural food webs. They exhibit a continuous species turnover. However, massive extinction waves that affect more than 50% of the network are not observed, suggesting that corresponding events in earth’s history had external causes.

Metacommunities built with the model by Loeuille and Loreau show several results that are already known from non-evolving metacommunity studies. In comparison, metacommunities built with the new model show a much broader range of phenomena. By varying migration strength, migration type and spatial topology, I demonstrate that the combination of evolution and dispersal affects the structure and stability of food webs differently than each of them alone. The understanding of the interplay between evolution and dispersal leads to new insights into the factors that stabilize ecosystems despite changes in the spatial environment or the species composition.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Ökosysteme auf der ganzen Welt sind derzeit dramatischen Umweltveränderungen ausgesetzt. Die unmittelbare Folge davon sind erhöhte Aussterberaten. Nahrungsnetze, also Netzwerke von Räuber-Beute-Interaktionen, tragen zu einem grundlegenden Verständnis von Ökosystemen bei und unterstützen so die Identifizierung von sinnvollen Umweltschutzsmaßnahmen. In dieser Arbeit untersuche ich evolutionäre Meta-Nahrungsnetze, also evolutionäre Netzwerke von Netzwerken. Die äußeren Netzwerke repräsentieren dabei fragmentierte Landschaften von mehreren Habitaten. Die inneren Netzwerke beschreiben lokalisierte Nahrungsnetze auf diesen Habitaten. Neue Spezies entstehen als Modifikationen von bereits extistierenden Spezies und die Populationsdynamik beschreibt, ob eine Spezies lebensfähig ist und wie sie mit anderen interagiert. Außerdem sind die Spezies in der Lage zwischen den Habitaten zu migrieren. Im Gegensatz zu früheren Arbeiten, die sich entweder auf räumliche oder auf evolutionäre Aspekte konzentrieren, berücksichtige ich beide und untersuche deren Zusammenspiel. Ich benutze zwei verschiedene Modelle für die Beschreibung der lokalen Dynamik. Das erste Modell wurde 2005 von Loeuille and Loreau vorgestellt [1]. Es charakterisiert eine Spezies ausschließlich durch ihre mittlere adulte Körpergröße. Die entstehenden Netzwerke zeigen eine regelmäßige Struktur und sind bemerkenswert stabil. Meine Untersuchung diverser Modellvarianten zeigt, dass ein Modell zwei Bedingungen erfüllen muss um realistischere Netzwerke zu generieren. Einerseits muss eine Spezies durch mehr als eine Eigenschaft beschrieben werden und andererseits muss jede Eigenschaft auf einen realistischen Bereich beschränkt werden. Basierend auf diesen Ergebnissen stelle ich ein neues Modell vor. Es ist weniger abstrakt als frühere Modelle, da alle Spezieseigenschaften eine klare biologische Bedeutung haben. Die Spezies werden durch ihre mittlere adulte Körpergröße, die Körpergröße ihrer bevorzugten Beute und die Breite ihres Beutespektrums charakterisiert. Die entstehenden Netzwerke zeigen viele unterschiedliche Strukturen von unterschiedlicher Größe und haben ein hohes Maß an Ähnlichkeit mit empirischen Daten. Die Artenzusammensetzung ändert sich ständig. Allerdings werden keine großen Aussterbelawinen, in denen mehr als 50% der Spezies aussterben, beobachtet. Dies legt die Schlussfolgerung nahe, dass solche Massenaussterbeereignisse in der Erdgeschichte externe Auslöser hatten. Wenn man das Modell von Loeuille und Loreau auf mehrere Habitate erweitert, dann zeigen sich Ergebnisse, die bereits aus anderen Studien ohne Evolution bekannt sind. Erweitert man stattdessen das neue Modell um die räumliche Dimension, so ergibt sich ein viel breiteres Spektrum an Phänomenen. Indem ich die Migrationstärke, die Migrationsart und die räumliche Topologie variiere, zeige ich, dass die Kombination aus räumlichen und evolutionären Aspekten die Netzwerkstruktur und die Netzwerkstabilität anders beeinflusst als sie es einzeln tun würden. Erst das Zusammenspiel liefert neue Erkenntnisse darüber, welche Faktoren Ökosysteme trotz ständiger Änderung der Artenzusammensetzung oder der räumlichen Umgebung stabilisieren.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics > Bio Physics
05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics > Statistische Physik und komplexe Systeme
Date Deposited: 02 Apr 2015 09:17
Last Modified: 02 Apr 2015 09:17
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-44683
Referees: Drossel, Prof. Dr. Barbara and Hamacher, Prof. Dr. Kay
Refereed: 19 February 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4468
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