Universität zu Köln

Groll, Fanny (2016). Diversity and Stability in Food Webs : Impacts of Non-Equilibrium Dynamics, Topology and Variation. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

With progressive climate change, the preservation of biodiversity is becoming increasingly important. Only if the gene pool is large enough and requirements of species are diverse, there will be species that can adapt to the changing circumstances. To maintain biodiversity, we must understand the consequences of the various strategies. Mathematical models of population dynamics could provide prognoses. However, a model that would reproduce and explain the mechanisms behind the diversity of species that we observe experimentally and in nature is still needed. A combination of theoretical models with detailed experiments is needed to test biological processes in models and compare predictions with outcomes in reality. In this thesis, several food webs are modeled and analyzed. Among others, models are formulated of laboratory experiments performed in the Zoological Institute of the University of Cologne. Numerical data of the simulations is in good agreement with the real experimental results. Via numerical simulations it can be demonstrated that few assumptions are necessary to reproduce in a model the sustained oscillations of the population size that experiments show. However, analysis indicates that species "thrown together by chance" are not very likely to survive together over long periods. Even larger food nets do not show significantly different outcomes and prove how extraordinary and complicated natural diversity is. In order to produce such a coexistence of randomly selected species—as the experiment does—models require additional information about biological processes or restrictions on the assumptions. Another explanation for the observed coexistence is a slow extinction that takes longer than the observation time. Simulated species survive a comparable period of time before they die out eventually. Interestingly, it can be stated that the same models allow the survival of several species in equilibrium and thus do not follow the so-called competitive exclusion principle. This state of equilibrium is more fragile, however, to changes in nutrient supply than the oscillating coexistence. Overall, the studies show, that having a diverse system means that population numbers are probably oscillating, and on the other hand oscillating population numbers stabilize a food web both against demographic noise as well as against changes of the habitat. Model predictions can certainly not be converted at their face value into policies for real ecosystems. But the stabilizing character of fluctuations should be considered in the regulations of animal populations.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Mit fortschreitendem Klimawandel wird der Erhalt des Artenreichtums immer wichtiger. Nur bei genügend großem Genpool und breitgestreuten Bedürfnissen der Arten an ihre Umgebung werden sich Spezies finden, die sich veränderten Umständen anpassen können. Um Biodiversität zu erhalten, muss aber zunächst einmal verstanden werden, welches Vorgehen welche Folgen nach sich zieht. Mathematische Modelle der Populationsdynamiken könnten entsprechende Prognosen liefern. Es fehlt aber noch ein Modell, das dazu in der Lage wäre, die Mechanismen, der alltäglich und experimentell beobachteten Artenvielfalt wiederzugeben und zu erklären. Eine Kombination theoretischer Modelle mit detaillierten Experimenten ist notwendig, um biologische Prozesse in Modellen zu testen und die Vorhersagen mit den Auswirkungen in der Wirklichkeit zu vergleichen. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Nahrungsnetze modelliert und untersucht. Unter anderem werden Modelle zu Experimenten des zoologischen Instituts der Universität zu Köln entwickelt und analysiert. Hier weisen Simulationen der Laborsystemen eine gute Übereinstimmung der numerischen Daten mit den experimentellen Ergebnissen auf. Mit Hilfe der Simulationen kann gezeigt werden, dass wenige Modellannahmen nötig sind um langanhaltende Oszillationen der Populationsgrößen zu reproduzieren. Allerdings zeichnet sich ebenfalls ab, dass ein Zusammenleben „zufällig zusammen gewürfelter“ Arten über lange Zeiträume nicht sehr wahrscheinlich ist. Auch größere Nahrungsnetzmodelle zeigen keine signifikante Abweichung von diesen Beobachtungen und belegen wie außergewöhnlich und kompliziert die natürliche Vielfalt ist. Um eine solche Koexistenz zufällig ausgewählter Arten wie im Experiment regelmäßig zu erzeugen, müssten andere Prozesse oder weitere Einschränkungen in die Modellannahmen eingehen. Eine andere Erklärung für die beobachtete Koexistenz ist ein langsames Aussterben. In numerischen Simulationen überleben Arten vergleichbare Zeitspannen wie im Experiment bevor sie dann letzten Endes aussterben. Interessanterweise kann festgestellt werden, dass dieselben mathematischen Modelle auch ein Überleben mehrerer Arten im Gleichgewicht erlauben und somit nicht dem sogenannten Konkurrenzausschlussprinzip folgen. Dieser Gleichgewichtszustand ist allerdings fragiler gegenüber Änderungen der Nahrungszufuhr als die oszillierende Artenvielfalt. Insgesamt belegen die Untersuchungen, dass Koexistenz eher oszillierende Populationsgrößen aufweist und dass andererseits oszillierende Populationsgrößen ein Nahrungsnetz sowohl gegen demographisches Rauschen wie auch gegen Änderungen des Lebensraums stabilisieren. Diese Modellvorhersagen sind sicher nicht eins zu eins auf reale Ökosysteme übertragbar, aber bei der Regulierung von Tierbeständen sollte der stabilisierende Charakter von Fluktuationen bedacht werden. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Groll, Fanny Fanny.Groll@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-71123
Date:	2016
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute for Theoretical Physics
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language statistical physics, theoretical ecology, microbial food webs, population dynamics, non-equilibrium, biological diversity, predation, competition, coexistence English
Date of oral exam:	11 July 2016
Referee:	Name Academic Title Altland, Alexander Prof. Dr. Krug, Joachim Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7112