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Migrate, defend, and evolve: Theoretical ecology presented in three different ways

Thiel, Tatjana Isabell (2019):
Migrate, defend, and evolve: Theoretical ecology presented in three different ways.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8949],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Ecosystems undergo permanent changes. Due to human impact, several of these changes accelerate, like the climate change and the immigration rate of invasive species. Humanity is interested in the enduring stability of the ecosystem in which it lives and of which it is part of. Indeed, several features of species could be identified that can influence the stability of ecosystems. As these features can change due to an evolutionary adaptation to the current conditions, it is important to understand under which conditions a specific feature is beneficial for a species.

In this thesis, we investigate three features of species that can influence the stability of ecosystems, namely, prey defense against predator attacks, migration of species between habitats, and intraspecific trait variability in plants. More precisely, we consider reservoir-based defense, which means that the prey has a secretion reservoir that is biosynthetically refilled over time. The prey uses a certain amount of secretion to defend against a predator attack and is inedible as long as it stores at least this amount of secretion. Concerning the migration of species, we will focus on small migration rates for which stochastic effects become relevant, i.e. we analyze the so-called stochastic migration. Finally, we consider that plant individuals within one species or parts of one plant individual differ in their traits and we analyze the impact of this variability on herbivores. Especially, we focus for all three features on the conditions under which the features are beneficial for the species, as representing situations in which these features are evolutionary advantageous.

We will show that all three features enhance either species abundance or species diversity in the considered system. Reservoir-based defense can increase both the prey and predator density and is beneficial for the prey when the predator density is not too low and the costs for defense are not too high.

Stochastic migration can increase the local and regional diversity in metacommunities; the former even in the limit of very rare migration events. We show that this diversity increase can be ascribed to two effects, namely, the rescue effect and dynamical coexistence. Especially, species of the second trophic level benefit from these effects while species of the third trophic level only benefit from migration when migration rates are high.

Finally, we focus on the enormous extent of trait variability in plants. We show that variability in the defense and/or nutrient level of the leaves can per se be beneficial for the plant. We hence present a reason why this large trait variability may have evolved. Furthermore, we show the crucial impact of herbivore preference on these findings. Especially, we find that a plant can per se benefit from large nutrient and defense level variability when it is mainly attacked by specialists that have optimal preference.

At the end of this thesis, we discuss, based on these results, how these three features may affect the stability of ecosystems.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2019
Creators: Thiel, Tatjana Isabell
Title: Migrate, defend, and evolve: Theoretical ecology presented in three different ways
Language: English
Abstract:

Ecosystems undergo permanent changes. Due to human impact, several of these changes accelerate, like the climate change and the immigration rate of invasive species. Humanity is interested in the enduring stability of the ecosystem in which it lives and of which it is part of. Indeed, several features of species could be identified that can influence the stability of ecosystems. As these features can change due to an evolutionary adaptation to the current conditions, it is important to understand under which conditions a specific feature is beneficial for a species.

In this thesis, we investigate three features of species that can influence the stability of ecosystems, namely, prey defense against predator attacks, migration of species between habitats, and intraspecific trait variability in plants. More precisely, we consider reservoir-based defense, which means that the prey has a secretion reservoir that is biosynthetically refilled over time. The prey uses a certain amount of secretion to defend against a predator attack and is inedible as long as it stores at least this amount of secretion. Concerning the migration of species, we will focus on small migration rates for which stochastic effects become relevant, i.e. we analyze the so-called stochastic migration. Finally, we consider that plant individuals within one species or parts of one plant individual differ in their traits and we analyze the impact of this variability on herbivores. Especially, we focus for all three features on the conditions under which the features are beneficial for the species, as representing situations in which these features are evolutionary advantageous.

We will show that all three features enhance either species abundance or species diversity in the considered system. Reservoir-based defense can increase both the prey and predator density and is beneficial for the prey when the predator density is not too low and the costs for defense are not too high.

Stochastic migration can increase the local and regional diversity in metacommunities; the former even in the limit of very rare migration events. We show that this diversity increase can be ascribed to two effects, namely, the rescue effect and dynamical coexistence. Especially, species of the second trophic level benefit from these effects while species of the third trophic level only benefit from migration when migration rates are high.

Finally, we focus on the enormous extent of trait variability in plants. We show that variability in the defense and/or nutrient level of the leaves can per se be beneficial for the plant. We hence present a reason why this large trait variability may have evolved. Furthermore, we show the crucial impact of herbivore preference on these findings. Especially, we find that a plant can per se benefit from large nutrient and defense level variability when it is mainly attacked by specialists that have optimal preference.

At the end of this thesis, we discuss, based on these results, how these three features may affect the stability of ecosystems.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics
05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics > Statistische Physik und komplexe Systeme
Date Deposited: 11 Aug 2019 19:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8949
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-89495
Referees: Drossel, Prof. Dr. Barbara and Blüthgen, Prof. Dr. Nico
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 8 July 2019
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
Ökosysteme sind ständigem Wandel ausgesetzt. Durch den menschlichen Einfluss beschleunigen sich viele dieser Änderungen, wie der Klimawandel oder die Immigrationsrate invasiver Spezies. Die Menschheit ist daran interessiert, dass das Ökosystem, in dem sie lebt und deren Teil sie ist, stabil bleibt unter derartigen Einflüssen. In der Tat konnten schon einige Eigenschaften von Spezies identifiziert werden, die die Stabilität von Ökosystemen beeinflussen können. Da sich diese durch evolutionäre Anpassung an die herrschenden Bedingungen verändern können, ist es vor allem auch wichtig zu verstehen unter welchen Bedingungen solche Eigenschaften für die ausprägende Spezies von Vorteil sind. In dieser Thesis analysieren wir drei Eigenschaften von Spezies, die die Stabilität von Ökosystemen beeinflussen können, nämlich die Verteidigung von Beute gegen Prädatoren, die Migration von Spezies zwischen Habitaten und die intraspezifische Merkmalvariabilität von Pflanzen. Genauer gesagt betrachten wir reservoir-basierte Verteidigung, das heißt die Beute besitzt ein Sekretreservoir, das mit der Zeit biosynthetisch aufgefüllt wird. Die Beute nutzt eine gewisse Sekretmenge für die Verteidigung gegen eine Prädatorenattacke und ist nicht verzehrbar solange sie diese Menge zur Verfügung hat. Bei der Migration von Spezies werden wir uns auf kleine Migrationsraten konzentrieren, für die stochastische Effekte relevant werden, d.h. wir betrachten die sogenannte stochastische Migration. Schlussendlich berücksichtigen wir, dass sich Pflanzenindividuen innerhalb einer Spezies, aber auch Pflanzenteile eines Pflanzenindividuums stark in ihren Merkmalen unterscheiden können und untersuchen den Einfluss dieser Variabilität auf Herbivoren. Einen besonderen Blickwinkel legen wir bei allen drei Eigenschaften auf die Bedingungen, unter denen diese Eigenschaften für die Spezies von Vorteil sind, da diese Situationen markieren, in denen sich diese Merkmale evolutionär durchsetzen können. Wir werden zeigen, dass diese drei Eigenschaften entweder die Speziesabundanz oder die Speziesdiversität im Ökosystem erhöhen können. Reservoir-basierte Verteidigung der Beute kann sowohl die Beute- als auch die Räuberdichte erhöhen und ist stets dann von Vorteil für die Beute, wenn die Räuberdichte nicht zu klein und die Kosten für Verteidigung nicht zu hoch sind. Stochastische Migration kann die lokale und regionale Diversität in einer Metagemeinschaft erhöhen; ersteres sogar im Limes sehr seltener Migrationsereignisse. Wir werden zeigen, dass sich die Diversitätssteigerung auf zwei Effekte zurückführen lässt, nämlich den sogenannten Rettungseffekt und dynamische Koexistenz. Dabei profitieren vor allem Spezies vom zweiten trophischen Level von diesen Effekten, während Spezies vom dritten trophischen Level nur von Migration profitieren können, wenn die Migrationsrate hoch ist. Als letztes werden wir das enorme Ausmaß der Merkmalvariabilität in Pflanzen untersuchen. Wir werden zeigen, dass Variabilität in den Verteidigungs- und/oder Nährstoffkonzentrationen der Blätter an sich von Vorteil sein kann für die Pflanze und damit einen Grund darstellt, warum sich eine derart große Variabilität in diesen Merkmalen entwickelt haben könnte. Dabei werden wir zeigen, dass es ausschlaggebend sein kann das Präferenzverhalten der Herbivoren zu berücksichtigen. Im Speziellen werden wir zeigen, dass eine Pflanze von Verteidigungs- und Nährstoffvariabilität an sich profitiert, wenn sie hauptsächlich von Spezialisten befressen wird und diese für sich optimale Präferenz zeigen. Am Ende dieser Thesis werden wir basierend auf diesen Ergebnissen diskutieren, wie diese drei Eigenschaften die Stabilität des Ökosystems beeinträchtigen können.German
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