Universität zu Köln

Schieffer, Andre (2012). Studies on diversity and coexistence in an experimental microbial community. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Biodiversity and the coexistence of species have puzzled and fascinated biologists since decades and is a hotspot in todays’ natural sciences. Preserving this biodiversity is a great challenge as habitats and environments underlying tremendous changes like climate change and the loss of natural habitats, which are mainly due to anthropogenic influences. The coexistence of numerous species even in homogeneous environments is a stunning feature of natural communities and has been summarized under the term ‘paradox of plankton’. Up to now, there are several mechanisms discussed, which may contribute to local and global diversity of organisms. Several interspecific trade offs have been identified maintaining the coexistence of species like their abilities regarding competition and predator avoidance, their capability to disperse in space and time, and their ability to exploit variable resources. Further, micro-evolutionary dynamics supporting the coexistence of species have been added to our knowledge, and deriving from theoretical deterministic models, non-linear dynamics which describe the temporal fluctuation of abundances of organisms. Whereas competition and predation seem to be clue structural elements within interacting organisms, the intrinsic dynamic behavior – by means of temporal changes in abundance - plays an important role regarding coexistence within a community. The present work sheds light on different factors affecting the coexistence of species using experimental microbial model systems consisting of a bacterivorous ciliate as the predator and two bacteria strains as prey organism. Additionally, another experimental setup consisting of two up to five bacteria species competing for one limiting resource was investigated. Highly controllable chemostat systems were established to exclude extrinsic disturbances. According to theoretical analyses I was able to show - experimentally and theoretically - that phenotypic plasticity of one species within a microbial one-predator-two-prey food web enlarges the range of possible coexistence of all species under different dynamic conditions, compared to a food web without phenotypic plasticity. This was accompanied by non-linear (chaotic) population dynamics within all experimental systems showing phenotypic plasticity. The experiments on the interplay of competition, predation and invasion showed that all aspects have an influence on species coexistence. Under undisturbed controlled conditions all aspects were analyzed in detail and in combination. Populations showed oscillations which were shown by quasi-chaotic attractors in phase space diagrams. Competition experiments with two up to five bacteria species competing for one limiting resource showed that all organisms were able to coexist which was mediated by species oscillations entering a regime of chaos. Besides that fact it was found, that the productivity (biomass) as well as the total cell numbers – under the same nutrition supply – increased by an increasing number of species in the experimental systems. Up to now, the occurrence of non-linear dynamics in well controlled experimental studies has been recognized several times and this phenomenon seemed to be more common in natural systems than generally assumed.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Studien zur Diversität und Koexistenz in einer experimentellen mikrobiellen Gemeinschaft UNSPECIFIED
Translated abstract:	Abstract Language Biodiversität und die Koexistenz von Arten fasziniert und verblüfft Biologen seit Jahr-zehnten und stellen einen Schwerpunkt in der heutigen Umweltforschung dar. Der Schutz und die Konservierung dieser Mannigfaltigkeit stellen eine große Herausfor-derung dar, da die natürlichen Lebensräume sowie die Umwelt enormen Verände-rungen unterworfen sind, welche meist in einem anthropogenen Ursprung wurzeln. Die Koexistenz vieler Arten, auch in relativ homogenen Habitaten ist ein faszinieren-des Charakteristikum natürlicher Lebensgemeinschaften und wird als ‚Paradox des Planktons‘ bezeichnet. Gegenwärtig werden diverse Ursachen diskutiert, welche vermutlich zur lokalen und globalen Diversität von Organismen beitragen. Einige die-ser möglichen Ursachen, die zur Aufrechterhaltung der Koexistenz der Arten beitra-gen, wurden identifiziert: Das Vermögen der Konkurrenz- und Prädationsvermeidung, die Fähigkeit räumlicher sowie zeitlicher Verteilung, sowie das Vermögen variable Ressourcen zu nutzen. Des Weiteren wurden mikro-evolutionäre Phänomene und Dynamiken identifiziert, sowie, von theoretischen deterministischen Modellen ausge-hend, nichtlineare Dynamiken, welche die zeitlichen Schwankungen der Abundanzen von Organismen beschreiben. Diese Aspekte stellen die Schlüsselkomponenten zwi-schen interagierenden Organismen dar, wobei das intrinsiche, nicht lineare dynami-sche Verhalten in Form von zeitlichen Veränderungen in Abundanzen eine zusätzli-che entscheidende Rolle bezüglich der Koexistenz von Arten spielen kann. Einige dieser Aspekte wurden in der vorliegenden Arbeit untersucht. In Anlehnung an theoretische Analysen konnte experimentell sowie theoretisch gezeigt werden, dass phänotypische Plastizität in einer Bakterienart in einem mikrobiellen Ein-Räuber-zwei-Beute-Nahrungsgewebe den Bereich der möglichen Koexistenz unter sich än-dernden experimentellen Bedingungen (Änderungen der Durchflussraten der Chemostate) – im direkten Vergleich zu einem experimentellen Nahrungsgewebe ohne phänotypische Plastizität – erweitern kann. Dies wurde begleitet durch nicht lineare Abundanzschwankungen in den Populationen aller untersuchten Versuchs-ansätze. In weiteren Untersuchungen wurde das Zusammenspiel von Konkurrenz, Prädation und Invasion in einer experimentellen mikrobiellen Gemeinschaft untersucht. Unter kontrollierten Bedingungen konnten diese Aspekte detailliert untersucht werden und es konnten Aufschlüsse darüber gewonnen werden, welche Reaktionen (Interaktionen) innerhalb der untersuchten Gemeinschaften stattfinden. Im Versuchsverlauf wurden Veränderungen in den Abundanzen sowie chaotische Schwankungen der Zellzahlen festgestellt. In Konkurrenzexperimenten von zwei bis zu fünf um eine limitierende Ressource konkurrierende Bakterienarten konnte gezeigt werden, dass alle Arten – vermittelt durch chaotische Abundanzschwankungen – nebeneinander koexistieren konnten. Begleitend dazu wurde herausgefunden, dass die Produktivität (Biomasse) sowie die Gesamtzellzahl bei gleicher Nahrungsverfügbarkeit der experimentellen Systeme mit steigender Artenzahl zunehmen. Gegenwärtig ist das Auftreten von Chaos in gut kontrollierten experimentellen Studi-en vereinzelt beobachtet worden, wobei dieses Phänomen jedoch häufiger in der Natur aufzutreten scheint als generell vermutet. UNSPECIFIED
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Schieffer, Andre andre.schieffer@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-47375
Date:	2012
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Zoologisches Institut
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Coexistence, biodiversity, chaos, intrinsic dynamics, bacteria UNSPECIFIED
Date of oral exam:	18 June 2012
Referee:	Name Academic Title Arndt, Hartmut Prof. Dr. Weitere, Markus Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4737