TU Darmstadt / ULB / TUprints

Die Populationsdynamik kanadischer Rotlachse

Schmitt, Christoph :
Die Populationsdynamik kanadischer Rotlachse.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

[img]
Preview
Text
thesis_final.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No-derivatives 3.0 de.

Download (3MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Die Populationsdynamik kanadischer Rotlachse
Language: German
Abstract:

In dieser Arbeit werden verschiedene Modelle für Populationsdynamik - die zeitliche Entwicklung von Tierpopulationen - untersucht und verglichen. Zunächst wird allgemein der Einfluss verschiedener Arten von intraspezifischer Konkurrenz auf kurze Nahrungsketten betrachtet. Der Großteil der Arbeit beschäftigt sich jedoch konkret mit der Modellierung der Populationsänderungen kanadischer Rotlachse. Manche Populationen dieser Wanderfische zeigen zyklische Dominanz. Anhand mehrerer Modellvarianten wird die Hypothese bestätigt, dass diese sehr starken und konsistenten Oszillationen durch den Einfluss eines Räubers in den Brutseen verursacht werden können.

Im ersten Teil der Arbeit wird Populationsdynamik modelliert, ohne auf die Eigenschaften bestimmter Spezies einzugehen. Unter gewissen Annahmen kann man die Entwicklung von Populationen mittels gewöhnlicher Differentialgleichungen beschreiben. Hier werden vor allem Räuber-Beute-Interaktionen modelliert. Jedoch ist bekannt, dass durch Berücksichtigung von Konkurrenz innerhalb einer Spezies Modelle mit realistischeren Eigenschaften entstehen. Diese kann einerseits als Interferenzkonkurrenz modelliert werden, bei der eine hohe Populationsdichte der Räuber selbige bei der Jagd behindert. Andererseits kann die Populationsdichte beschränkt werden. Die Auswirkungen beider Ansätze auf die Dynamik von Nahrungsketten aus zwei und drei Spezies werden untersucht und verglichen. Interferenzkonkurrenz führt zu einer besser vorhersehbareren und intuitiveren Dynamik, während Dichtebeschränkungen besser zur Modellierung katastrophaler Veränderungen geeignet sind.

In den daran anschließenden Teilen der Arbeit werden die gewonnenen Erkenntnisse auf die Dynamik kanadischer Rotlachse angewandt. Christian Guill und Barbara Drossel stellten die Hypothese auf, dass die auffälligen Populationsoszillationen dieser Lachse durch Räuber-Beute-Kopplung in den Brutseen verursacht werden. Sie entwickelten ein einfaches Modell, welches diese Hypothese bestätigt. In diesem werden jedoch zwei äußerst wichtige in der Natur auftretende Faktoren vernachlässigt. Zum einen ist das Modell deterministisch, während in der Natur ständig Störungen der Dynamik auftreten. Zum anderen wird angenommen, dass der für die Oszillation verantwortliche Räuber der Rotlachse ausschließlich diese frisst.

Deshalb wird im zweiten Teil eine weitere Spezies in das Modell aufgenommen, welche mit den Rotlachsen um Nährstoffe konkurriert und dem Räuber als alternative Nahrungsquelle dient. Die durch den Räuber vermittelte indirekte Wechselwirkung erlaubt jedoch nur unter speziellen Bedingungen die Koexistenz der Rotlachse mit dem Konkurrenten. In den Brutseen leben zwar nur wenige Fischspezies, jedoch gibt es in allen von ihnen Konkurrenten. Das Modell wird deshalb so angepasst, dass der Räuber in der Lage ist, sein Jagdverhalten an die Verfügbarkeit verschiedener Beutespezies anzupassen. Unter dieser Annahme ist sowohl für iteropare als auch semelpare Konkurrenten Koexistenz weit verbreitet, und trotz vorhandener Konkurrenten kann zyklische Dominanz vorliegen. Ihr Auftreten wird durch gute Wachstumsbedingungen im See und einen starken Räuber begünstigt.

Thema des dritten Teils sind stochastische Modelle. Zuerst werden die Effekte zufälliger Störungen auf die Modelldynamik quantifiziert. Danach werden an Hand von Kenngrößen für die Konsistenz und Stärke der zyklischen Dominanz Modellzeitreihen mit Messdaten verglichen. Es zeigt sich, dass die real auftretenden Wertepaare vom Modell reproduziert werden können. Auch im stochastischen Modell bestätigt sich, dass konsistente starke Oszillationen vor allem bei guten Wachstumsbedingungen und starker Kopplung an einen Räuber auftreten.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In this thesis several models of population dynamics - the development of animal populations over time - are analyzed and compared. First the effects of different kinds of intraspecific competition on short food chains are investigated. But most of the thesis deals with the modeling the changes of Canadian sockeye salmon populations. Some populations of this anadromous migrating fish exhibit cyclic dominance. By means of multiple model versions the hypothesis that these very strong and consistent oscillations are caused by the influence of a predator in the nursery lakes is confirmed. In the first part of the thesis population dynamics are modeled without taking the attributes of particular species into account. The dynamics of populations that can be approximately considered to be homogenous in space and in their attributes can be described with ordinary differential equations. Here especially predator-prey interactions are modeled. Allowing for competition among members of a species is useful in developing more realistic models. It can either be implemented as interference competition, meaning that a high population density impedes foraging, or as a limit to the population density of the species. The effects of each approach on the dynamics of food chains of two and three species were explored and compared. Interference competition leads to more predictable and intuitive dynamics, while density limits are useful for modeling catastrophic transitions. In the subsequent parts of the thesis the findings are applied to the dynamics of Canadian sockeye salmon. Christian Guill and Barbara Drossel assumed that the remarkable population oscillations of these salmon are caused by predator-prey interaction in their nursery lakes. They developed a simple model which confirms this hypothesis. However, their model neglects two very important elements. It is deterministic, while in nature the dynamics are constantly disturbed by random external factors. Also it is assumed that the predator causing the oscillation feeds exclusively on the young sockeye salmon. In the second part an additional species is introduced into their model of sockeye salmon population dynamics. It competes with the salmon for nutrition and serves as an alternative food source for the predator. The indirect interaction mediated by the predator only allows coexistence of sockeye and the competitor under very specific circumstances. While relatively few fish species live in the nursery lakes, all of the lakes do contain competitors. Therefore the model is adjusted so that the predator can change its foraging behaviour according to the availability of different prey species. Under this assumption coexistence is generic for iteroparous as well as semelparous competitors, and cyclic dominance can occur in the presence of a competitor. Good growth conditions in the lake and a strong predator promote oscillations. Stochastic models are the topic of the third part. First the effects of random perturbations on the model dynamics are quantified. Then model and measured data are compared by means of two derived values that characterize the consistency and strength of cyclic dominance. It is shown that the model can reproduce the value pairs found in nature. The stochastic model confirms that strong consistent oscillations occur mostly in the presence of good growth conditions and strong coupling to a predator.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 590 Tiere (Zoologie)
Divisions: 05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics
Date Deposited: 10 Apr 2015 07:37
Last Modified: 10 Apr 2015 07:37
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-44789
Referees: Drossel, Prof. Dr. Barbara and Hamacher, Prof. Dr. Kay
Refereed: 23 February 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4478
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year