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Effekte intrinsischen Rauschens auf die Dynamik und Assemblierung chemischer und ökologischer Netzwerke

Becker, Lara (2022):
Effekte intrinsischen Rauschens auf die Dynamik und Assemblierung chemischer und ökologischer Netzwerke. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00021451,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Effekte intrinsischen Rauschens auf die Dynamik und Assemblierung chemischer und ökologischer Netzwerke
Language: German
Abstract:

Intrinsisches Rauschen prägt das Verhalten komplexer Systeme auf allen Ebenen der Biologie, von der Genexpression in den Zellen von Lebewesen bis hin zur Dynamik von Populationen in der Ökologie. Trotz der Bedeutung, von der intrinsisches Rauschen für die zeitliche Entwicklung dieser in Gestalt von Netzwerken formalisierbaren Systeme sein kann, gestaltet sich die Vorhersage seiner Auswirkungen auf die Dynamik von chemischen Reaktionsnetzwerken sowie die Dynamik und Formierung (Assemblierung) von Speziesinteraktionsnetzwerken herausfordernd.

In jüngster Zeit wurde eine Methode entwickelt, die die Analyse stationärer Wahrscheinlichkeitsdichten chemischer Reaktionsnetzwerke auf Basis des Konvektionsfeldes, eines aus der chemischen Fokker-Planck-Gleichung abgeleiteten Vektorfeldes, erlaubt. Bisher wurde nicht systematisch untersucht, inwieweit das Konvektionsfeld zuverlässige Vorhersagen zur Gestalt stationärer Wahrscheinlichkeitsdichten chemischer Reaktionsnetzwerke liefert, wenn diese Vorhersagen qualitativ von jenen deterministischer Beschreibungsformen abweichen. Dies wurde im ersten Teil der vorliegenden Dissertation für chemische Reaktionsnetzwerke mit einer sowie mit zwei molekularen Spezies anhand von aus dem Konvektionsfeld abgeleiteten stochastischen Stabilitätsdiagrammen sowie stochastischen Simulationen geprüft. Es wurden sowohl chemische Reaktionsnetzwerke mit einer als auch mit zwei molekularen Spezies gefunden, für die das Konvektionsfeld keine korrekte Beschreibung der Charakteristika der stationären Wahrscheinlichkeitsdichten liefert. Diese Beispiele sind die ersten derartigen beschriebenen Fälle.

Bisherige theoretische Untersuchungen der Assemblierung ökologischer Gemeinschaften hatten zumeist Netzwerke antagonistischer Speziesinteraktionen zum Gegenstand und berücksichtigten das intrinsische Rauschen von Populationen nur selten. Im zweiten Teil dieser Dissertation wurde daher am Beispiel von Pflanzen-Bestäuber-Netzwerken ein mechanistisches Modell für die Assemblierung mutualistischer Speziesinteraktionsnetzwerke entwickelt und für dieses untersucht, wie sich die Struktur und Spezieszusammensetzung der Netzwerke im Laufe der Assemblierung verändern und wie intrinsisches Rauschen diesen Prozess beeinflusst. Ein wesentlicher Bestandteil des Modells ist dabei die Festlegung von Speziesinteraktionen anhand von Speziesmerkmalen, d. h. Trait-Matching. Das Modell produziert in Einklang mit der Intermediate Disturbance Hypothesis parameterabhängig unimodale Verläufe der Anzahl an Spezies in den Netzwerken und, in Anwesenheit intrinsischen Rauschens, Netzwerke, in denen generalistische und spezialisierte Spezies langfristig koexistieren. Die Ergebnisse sind unter ökologisch plausiblen Bedingungen gegenüber der Beschreibung von Spezies durch zusätzliche Merkmale sowie der Variation von Parametern robust. Das vorgestellte Modell erlaubt es, ein Verständnis dafür zu entwickeln, wie das Zusammenspiel von stochastischer Immigration, Speziesmerkmalen und verrauschter Populationsdynamik die Struktur und Spezieszusammensetzung von Pflanzen-Bestäuber-Netzwerken im Laufe der Assemblierung beeinflusst. Damit bietet es eine Grundlage für weitere Untersuchungen dazu, wie Speziesmerkmale sowie verschiedene Prozesse die Assemblierung von Speziesinteraktionsnetzwerken prägen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Intrinsic noise shapes the behavior of complex systems at all levels of biology, from gene expression in the cells of living organisms to the dynamics of populations in ecology. Despite the importance that intrinsic noise can have on the temporal evolution of these systems, which can be formalized in the form of networks, predicting its effects on the dynamics of chemical reaction networks and the dynamics and formation (assembly) of species interaction networks is proving challenging.

Recently, a method has been developed that allows the analysis of stationary probability distributions of chemical reaction networks based on the convective field, a vector field derived from the chemical Fokker-Planck equation. So far, it has not been systematically investigated to what extent the convective field provides reliable predictions on the shape of stationary probability distributions of chemical reaction networks, when these predictions differ qualitatively from those of deterministic forms of description. This was tested in the first part of this thesis for chemical reaction networks with one as well as with two molecular species using stochastic stability diagrams derived from the convective field as well as stochastic simulations. Chemical reaction networks with one as well as with two molecular species were found for which the convective field does not provide a correct description of the characteristics of the stationary probability distributions. These examples are the first such cases described.

Previous theoretical studies of the assembly of ecological communities have mostly focused on networks of antagonistic species interactions and rarely considered the intrinsic noise of populations. In the second part of this thesis, a mechanistic model for the assembly of mutualistic species interaction networks was therefore developed using plant-pollinator networks as an example. For this model, we investigated how the structure and species composition of the networks change during the assembly process and how intrinsic noise influences this process. A key component of the model is the determination of species interactions based on species traits, i.e., via trait matching. Consistent with the Intermediate Disturbance Hypothesis, the model produces parameter-dependent hump-shaped trajectories of the number of species in the networks and, in the presence of intrinsic noise, networks in which generalist and specialist species coexist over the long term. Under ecologically plausible conditions, these results are robust to the description of species by additional features as well as to the variation of parameters. The model presented allows us to develop an understanding of how the interplay of stochastic immigration, species traits, and noisy population dynamics affects the structure and species composition of plant-pollinator networks over the course of assembly. Thus, it provides a basis for further studies on how species traits as well as various processes shape the assembly of species interaction networks.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 109 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute for Condensed Matter Physics > Theory of complex systems
Date Deposited: 09 Jun 2022 12:15
Last Modified: 10 Aug 2022 13:52
DOI: 10.26083/tuprints-00021451
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-214512
Referees: Drossel, Prof. Dr. Barbara ; Blüthgen, Prof. Dr. Nico
Date of oral examination: 4 May 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21451
PPN: 496563459
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