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Stability and Structure of Model Food-webs with Adaptive Behavior

Uchida, Satoshi :
Stability and Structure of Model Food-webs with Adaptive Behavior.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Stability and Structure of Model Food-webs with Adaptive Behavior
Language: English
Abstract:

In this dissertation, the influence of the adaptive behavior on stability and structure of model food webs is studied. First we study mainly analytically the influence of the implementation of population dynamics and of adaptive behavior on the number of links in a food web and on the stability of species with a small population size. By comparing models with Lotka-Volterra and Holling type II functional responses, models with and without predator avoidance, models with linear and nonlinear constraints on the foraging efforts, and diet selection models versus patch choice models, we find that adaptive foraging always has a stabilizing effect on small populations and that nonlinear functional responses and in particular nonlinear constraints on the foraging efforts lead to more realistic link numbers in the food web. We also investigate the influence of functional responses (Lotka-Volterra or Holling type), initial topological web structure (randomly connected or niche model), type of adaptive behavior (adaptive foraging and predator avoidance) and the type of constraints on the adaptive behavior (linear or nonlinear) on the stability and structure of large food webs. Two kinds of web stability are considered: one is the network robustness (i.e., the proportion of species surviving after population dynamics) and the other is the species deletion stability (i.e., persistence of a community after the deletion of a randomly chosen species). When evaluating the web structure, we consider link density as well as the trophic level structure. We show that the types of functional responses and initial web structure do not have a large effect on the stability of food webs, but foraging behavior has a large stabilizing effect. It leads to a positive complexity-stability relationship whenever higher complexity implies more potential prey per species. The other type of adaptive behavior, predator avoidance behavior, makes food webs only slightly more stable. The observed link density after population dynamics depends strongly on the presence or absence of adaptive foraging, and on the type of constraints used. We also show that the trophic level structure is preserved under population dynamics with adaptive foraging. Further the local and global stability of fixed points of Lotka-Volterra population dynamics with or without adaptive foraging are studied. We find a condition under which positive fixed points are stable. In terms of the local stability this condition applies to the potential link structure for the population dynamics without foraging dynamics, but to the effective link structure for the population dynamics with foraging dynamics, while in terms of the global stability the condition applies to the potential link structure for both cases. We also study the effect of intraspecific competition on the stability of fixed points and find that the intraspecific competition stabilizes the fixed point. Finally, we learn about the stability under evolution (i.e., persistence and resistance of webs under long-term changes of linkage patterns) with and without adaptive foraging. It is found that model food webs without adaptive foraging are unstable under evolutionary dynamics, i.e., they collapse after some time regardless of the details of the model, and the resulting food webs have only one trophic level. Thus a complex food web cannot be produced or sustained by the model. In contrast to this, it is shown that food webs with adaptive foraging persist in time under evolution and resulting food webs have more than one trophic levels.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In dieser Arbeit wird der Einfluß adaptiven Verhaltens auf die Stabilität und Struktur von Nahrungsnetzwerken untersucht. Als erstes behandeln wir größtenteils analytisch den Einfluß der Art der Populationsdynamik und des adaptiven Verhaltens auf die Zahl der Verkn üpfungen und die Stabilität von Spezies mit kleiner Populationsgröße. Wir vergleichen Modelle mit funktioneller Reaktion vom Typ Lotka-Volterra mit Modellen mit funktioneller Reaktion vom Holling Typ II. Wir stellen Modelle mit linearer und solche mit nichtlinearer Beschränkung der Nahrungsaufnahme gegen über und wir vergleichen Modelle mit Nahrungsauswahl mit sogenannten patch choice Modellen. Ein Ergebnis der Untersuchungen ist, dass adaptive Nahrungssuche (``adaptive foraging") immer einen stabilisierenden Effekt auf kleine Populationen hat und dass nichtlineare funktionelle Reaktionen und eine nichtlineare Beschränkung der Nahrungsaufnahme zu realistischeren Verknüpfungszahlen im Nahrungsnetz führen. Des weiteren untersuchen wir den Einfluß der funktionellen Reaktion (Lotka-Volterra oder Holling-Typ II), der anfänglichen Topologie des Netzes (Zufallsnetz oder Nischen-Modell), der Art des adaptiven Verhaltens (adaptive Nahrungssuche versus Räubervermeidung) und der Art von Beschränkung des adaptiven Verhaltens (linear oder nichtlinear) auf die Stabilität und die Struktur von großen Nahrungsnetzen. Zwei Arten der Netzstabilität werden betrachtet: Zum einen die Robustheit des Netzwerkes (der Anteil der Spezies, die nach der Populationsdynamik überlebt), zum anderen die Stabilität gegen Auslöschung von Spezies (überlebende Spezieszahl nach der Entfernung einer zufälligen Spezies). Wenn wir die Netzstruktur auswerten, betrachten wir die Verbindungsdichte und die Zahl der trophischen Ebenen. Wir zeigen, dass die Art der funktionellen Reaktion und die Ausgangsnetzstruktur keinen großen Effekt auf die Stabilität der Nahrungsnetze haben. Das Nahrungsauswahlverhalten (adaptive foraging) dagegen bewirkt einen großen stabilisierenden Effekt. Das führt zu einem positiven Komplexitäts-Stabilitäts-Verhältnis, wenn Komplexität bedeutet, dass es mehr potentielle Beute pro Spezies gibt. Eine weitere Art anpassungsfähigen Verhaltens ist die Vermeidung von Räubern. Dieses adaptive Verhalten macht Nahrungsnetze nur ein wenig stabiler. Die beobachtete Verknüpfungsdichte nach der Populationsdynamik hängt stark davon ab, ob adaptive Nahrungssuche implementiert wird. Wir zeigen auch, dass die Struktur der Netzwerke hinsichtlich der trophischen Ebenen bei Populationsdynamik mit adaptiver Nahrungssuche erhalten bleibt. Ferner werden lokale und globale Stabilität der Fixpunkte der Lotka-Volterra Populationsdynamik mit und ohne adaptive Nahrungssuche analysiert. Wir formulieren eine Bedingung, unter der positive Fixpunkte stabil sind. Betrachtet man die lokale Stabilität, trifft diese Bedingung auf die mögliche Verbindungsstruktur für die Populationsdynamik ohne adaptive Nahrungssuche zu. Für die Populationsdynamik mit adaptiver Nahrungssuche trifft die Bedingung hingegen auf die effektive Verbindungsstruktur zu. Bei global stabilen Fixpunkten trifft die Bedingung auf die mögliche Verbindungsstruktur in beiden Fälle zu. Wir finden auch, dass intraspezifische Konkurrenz Fixpunkte stabilisiert. Schliesslich wird die Stabilität von Netzen mit und ohne adaptiver Nahrungssuche unter Evolution untersucht, d.h. die Widerstandsfähigkeit der Netze gegen langsame Veränderungen der Verkn üpfungsmuster. Modell-Nahrungsnetze ohne adaptive Nahrungssuche sind instabil unter evolutionärer Dynamik, d.h. sie kollabieren nach einiger Zeit, unabhängig von den Details des Modells. Die resultierenden Nahrungsnetze haben nur eine trophische Ebene. Im Gegensatz dazu sind Nahrungsnetze mit adaptiver Nahrungssuche stabil unter Evolution und die resultierenden Netze haben mehr als eine trophische Ebene.German
Uncontrolled Keywords: Nahrungsnetze, Nichtlineare Dynamik,Theoretische Ökologie, Störung, Nahrungskette, Exponentielle Stabilität, Coevolution, Theoretische Biologie, Chaotisches System
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Nahrungsnetze, Nichtlineare Dynamik,Theoretische Ökologie, Störung, Nahrungskette, Exponentielle Stabilität, Coevolution, Theoretische Biologie, Chaotisches SystemGerman
Food Web; Nonlinear Dynamics; Biodiversity; Population Dynamics; Adaptive BehaviorEnglish
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000965
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-9650
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Drossel, Prof.Dr. Barbara and Porto, Prof.Dr. Markus
Advisors: Drossel, Prof.Dr. Barbara
Refereed: 28 January 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/965
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