Universität zu Köln

The interplay of intrinsic and extrinsic parameters on the dynamic behaviour of a microbial food web

Willen, Christine (2010) The interplay of intrinsic and extrinsic parameters on the dynamic behaviour of a microbial food web. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Kurzzusammenfassung Organismen interagieren innerhalb und zwischen den verschiedenen trophischen Ebenen, beispielsweise durch Konkurrenz oder durch Räuber-Beutebeziehungen. Daraus ergibt sich ein dynamisches Verhalten, welches eine entscheidende Rolle in der Koexistenz der Arten und für das Funktionieren eines Ökosystems spielt. Die Analyse der Populationsdynamiken innerhalb eines Ökosystems ist sehr komplex, weil sich extrinsische (biotische und abiotische Faktoren) und intrinsische (dichteabhängige) Dynamiken überlagern. In der vorliegenden Arbeit geht es darum, die verschiedenen Faktoren im Einzelnen zu analysieren und deren Bedeutung für die Interaktionen des gesamten Systems abzuschätzen. Im Vorfeld wurden entsprechende mathematische Modelluntersuchungen durchgeführt, die Arbeitshypothesen für die experimentellen Arbeiten lieferten. Um extrinsische und intrinsische Dynamiken systematisch untersuchen zu können, wurden Experimente im Labor durchgeführt. Als Modellsystem wurde ein vereinfachtes aquatisches mikrobielles Nahrungsnetz untersucht bestehend aus zwei unterschiedlichen Bakterien-Stämmen (Acinetobacter johnsonii und Pedobacter sp.) und einem räuberischen Ciliaten (Tetrahymena pyriformis). Innerhalb dieser Arbeit ist es gelungen, den experimentellen Aufbau für Chemostate, die unter sehr konstanten Bedingungen analysiert werden sollen, zu optimieren. Ungewollte externe Schwankungen, wie beispielsweise in der Durchflussrate, bei der Probennahme und in den Temperaturbedingungen konnten auf ein absolutes Minimum reduziert werden. Mit diesem experimentellen Aufbau konnte gezeigt werden, dass die intrinsischen, dichteabhängigen Populationsdynamiken ohne externe Einflüsse bereits sehr komplex sind und auf ein chaotisches Verhalten schließen lassen. Erstmalig haben Modelluntersuchungen und entsprechende Experimente im Labor gezeigt, dass induzierbare Fraßschutzmechanismen maßgeblich dazu beitragen können, dass der Bereich der Koexistenz der drei Arten sich erweitert, wenn die Durchflussrate als extrinsischer Parameter, welcher einen Einfluss auf die Wachstumsrate der einzelnen Organismen hat, verändert wird. Schwankungen in der Temperatur sind in nahezu allen Ökosystemen weit verbreitet. Diese reichen von kurzzeitigen, täglichen Fluktuationen bis hin zu jahreszeitlichen Temperatureffekten. Wenn man eine globale Erderwärmung in Betracht zieht, bekommt die Analyse des Temperatureinflusses eine noch größere Bedeutung. Innerhalb dieser Arbeit wurden zum ersten Mal Analysen mit der Wirkung von extrinsischen, chaotischen Temperaturschwankungen auf das dynamische Verhalten eines mikrobiellen Nahrungsnetzes durchgeführt. Die Ergebnisse lieferten Hinweise darauf, dass intrinsisch bedingtes chaotisches Verhalten durch chaotische Temperaturschwankungen beeinflusst werden kann. Das untersuchte mikrobielle Nahrungsnetz ist charakterisiert durch Räuber-Beute Dynamiken, Fraßschutzmechanismen und Konkurrenz. Die Betrachtung dieser Faktoren im Einzelnen und im Zusammenspiel zeigte, dass aperiodische Populationsdynamiken in dem vereinfachten Modellsystem dominierten, auch wenn die externen Parameter, wie Temperatur und Durchflussrate verändert wurden. Diese grundsätzliche dynamische Eigenschaft hat vermutlich einen größeren Einfluss in der Natur auf die verschiedenen Glieder eines Ökosystems als bisher angenommen.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Abstract Population dynamics are triggered by intrinsic and extrinsic parameters. Extrinsic parameters can be distinguished in biotic factors and abiotic factors. Abiotic factors include amongst others temperature, light and habitat structure. The most important biotic factors are for example competition for the present resources (nutrients and space) and predator-prey dynamics. For ecologists it is rather difficult to distinguish density dependent (purely intrinsic population dynamics) from the influences of environmental factors (extrinsic factors). A simplified predator-prey system was designed to examine in detail the impact of intrinsic and extrinsic parameters on the population dynamics over time. Therefore, my colleagues and me established a highly controllable and to the greatest possible extent automated experimental setup for chemostat experiments. Inaccuracies like fluctuations in the dilution rate (nutrient inflow), unintended temperature fluctuations and the risk of contaminations with other bacteria or fungi could be minimized. The first aim of the present work was to study purely intrinsic driven population dynamics. The microbial model system consisted of three species, two different bacterial strains (Acinetobacter johnsonii and Pedobacter sp.) and a ciliate predator (Tetrahymena pyriformis). Here, it is shown for the first time that intrinsically driven aperiodic population dynamics may play an important role for the coexistence of species. Microbial interactions showed, with increasing complexity from single-species systems to a three-species system in highly controllable chemostat experiments, the tendency to exhibit intrinsic chaotic population dynamics. Therefore, chaotic population dynamics can arise from strictly deterministic and density-dependent mechanisms. Indicators for a chaotic behaviour were 1) sensitivity of dynamics towards initial conditions, 2) continuous variability of abundances under constant environmental conditions and 3) positive values of corresponding Lyapunov exponents. Adaptive phenotypic plasticity and microevolution are the most powerful mechanisms of bacteria to reduce the risk of predation by protists. Changes in the morphology of the bacteria Acinetobacter johnsonii (gamma-proteobacteria) under grazing pressure by the ciliate Tetrahymena pyriformis were studied in short-term food-selection experiments and in long-term chemostat experiments. Strong selection pressures like predation may be a strong driver of microevolutionary processes. Numerical model analyses and corresponding three-species chemostat experiments revealed an increasing range of coexistence if one bacterial prey exhibited predation triggered shifts towards larger growth forms, using the dilution rate as an extrinsic bifurcation parameter. Temperature fluctuations are common in almost every natural habitat. Temperature is one of the most important extrinsic factor influencing the overall intrinsic biological processes like metabolic growth, respiration, ingestion, reproduction. The influence of temperature gained more and more attention ever since the awareness of the global climate change. The response to global warming in ecosystems is a complex interplay of populations and their temperature dependent reaction norms. For the first time, chaotic temperature fluctuations were chosen as an extrinsic trigger, which may influence the intrinsic behavior of the microbial two-prey-one-predator system. It is likely that chaotic temperature fluctuations drive intrinsic population dynamics into aperiodic fluctuations. In the present study, aperiodic population dynamics dominated at both trophic levels at different external triggers like dilution rate and temperature. Intrinsically driven irregularities in population dynamics may play a more important role in real ecosystems within the trophic cascades as expected until now.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Willen, Christinechristine.willen@live.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-43063
    Subjects: Natural sciences and mathematics
    Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Chemostat experiments, temperature, bacteria, microbial food web, predator-prey dynamicsEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Zoologisches Institut
    Language: English
    Date: 05 October 2010
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 18 November 2010
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 27 Sep 2011 08:54:42
    Referee
    NameAcademic Title
    Arndt, HartmutProf. Dr.
    von Elert, EricProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4306

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