TY - THES A1 - Wojcik, Laurie Anne Myriam T1 - Beyond a single diversity facet: implications for the links between biodiversity, environmental changes and ecosystem functioning T1 - Mehr als eine einzelne Facette der Biodiversität: Auswirkungen auf die Verbindungen zwischen Biodiversität, Umweltveränderungen und der Funktionalität von Ökosystemen N2 - Human activities modify nature worldwide via changes in the environment, biodiversity and the functioning of ecosystems, which in turn disrupt ecosystem services and feed back negatively on humans. A pressing challenge is thus to limit our impact on nature, and this requires detailed understanding of the interconnections between the environment, biodiversity and ecosystem functioning. These three components of ecosystems each include multiple dimensions, which interact with each other in different ways, but we lack a comprehensive picture of their interconnections and underlying mechanisms. Notably, diversity is often viewed as a single facet, namely species diversity, while many more facets exist at different levels of biological organisation (e.g. genetic, phenotypic, functional, multitrophic diversity), and multiple diversity facets together constitute the raw material for adaptation to environmental changes and shape ecosystem functioning. Consequently, investigating the multidimensionality of ecosystems, and in particular the links between multifaceted diversity, environmental changes and ecosystem functions, is crucial for ecological research, management and conservation. This thesis aims to explore several aspects of this question theoretically. I investigate three broad topics in this thesis. First, I focus on how food webs with varying levels of functional diversity across three trophic levels buffer environmental changes, such as a sudden addition of nutrients or long-term changes (e.g. warming or eutrophication). I observed that functional diversity generally enhanced ecological stability (i.e. the buffering capacity of the food web) by increasing trophic coupling. More precisely, two aspects of ecological stability (resistance and resilience) increased even though a third aspect (the inverse of the time required for the system to reach its post-perturbation state) decreased with increasing functional diversity. Second, I explore how several diversity facets served as a raw material for different sources of adaptation and how these sources affected multiple ecosystem functions across two trophic levels. Considering several sources of adaptation enabled the interplay between ecological and evolutionary processes, which affected trophic coupling and thereby ecosystem functioning. Third, I reflect further on the multifaceted nature of diversity by developing an index K able to quantify the facet of functional diversity, which is itself multifaceted. K can provide a comprehensive picture of functional diversity and is a rather good predictor of ecosystem functioning. Finally I synthesise the interdependent mechanisms (complementarity and selection effects, trophic coupling and adaptation) underlying the relationships between multifaceted diversity, ecosystem functioning and the environment, and discuss the generalisation of my findings across ecosystems and further perspectives towards elaborating an operational biodiversity-ecosystem functioning framework for research and conservation. N2 - Menschliche Aktivität verändert die Natur weltweit durch Einflussnahme auf die Umwelt, Biodiversität und Funktionsweise von Ökosystemen, die wiederum Ökosystemdienstleistungen stören und sich negativ auf den Menschen auswirken. Eine dringende Herausforderung besteht daher darin, unsere Wirkung auf die Natur zu begrenzen, was ein tiefgreifendes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Umwelt, Biodiversität und dem Funktionalität von Ökosystemen voraussetzt. Diese drei Komponenten von Ökosystemen umfassen jedoch jeweils mehrere Dimensionen, die auf unterschiedliche Weise interagieren, und bisher haben wir kein umfassendes Bild von ihren Zusammenhängen und den zugrundeliegenden Mechanismen. Vor allem Diversität wird oft als eine einzige Facette betrachtet, nämlich als Artendiversität, während es auf verschiedenen biologischen Organisationsebenen viele weitere Facetten gibt, z. B. genetische, phänotypische, funktionelle, multitrophische Diversität, die zusammen mehrere Quellen für Rohmaterial zur die Anpassung an Umweltveränderungen bilden und die Funktionsweise von Ökosystemen beeinflussen. Folglich ist die Untersuchung der Multidimensionalität von Ökosystemen, insbesondere der Zusammenhänge zwischen multifacettierter Diversität, Umweltveränderungen und Ökosystemfunktionen, von entscheidender Bedeutung für Forschung, Management und Naturschutz. In dieser Arbeit sollen mehrere Aspekte dieser Frage theoretisch untersucht werden. In dieser Arbeit untersuche ich drei große Themenbereiche. Erstens konzentriere ich mich auf die Frage, wie Nahrungsnetze mit unterschiedlichem Grad funktioneller Diversität auf drei trophischen Ebenen Umweltveränderungen abpuffern, wie etwa eine plötzliche Zugabe von Nährstoffen oder langfristige Veränderungen (z. B. Erwärmung oder Eutrophierung). Hier habe ich festgestellt, dass die funktionelle Diversität die ökologische Stabilität (d. h. die Pufferkapazität des Nahrungsnetzes) durch eine stärkere trophische Kopplung allgemein erhöht. Im Speziellen nahmen zwei Aspekte der ökologischen Stabilität (Resistenz und Resilienz) zu, obwohl ein dritter Aspekt, der Kehrwert der Zeit, die das System benötigt, um den Post-Störungszustand zu erreichen, mit zunehmender funktioneller Diversität abnahm. Zweitens untersuche ich, wie mehrere Facetten der Diversität als Basis für mehrere Anpassungsprozesse aus verschiedenen Quellen dienten und wie diese Quellen mehrere Ökosystemfunktionen auf zwei trophischen Ebenen beeinflussten. Die Berücksichtigung mehrerer Anpassungsquellen ermöglichte das Zusammenspiel zwischen ökologischen und evolutionären Prozessen, die sich auf die trophische Kopplung und damit auf die Funktionalität des Ökosystems auswirkten. Drittens reflektiere ich weiter über die Facetten der Diversität, indem ich einen Index K entwickle, der die Facette der funktionalen Diversität quantifizieren kann, welche wiederum selbst vielschichtig ist. K kann ein umfassendes Bild der funktionellen Diversität vermitteln und ist ein recht guter Prädiktor für das Funktionieren von Ökosystemen. Schließlich fasse ich die voneinander abhängigen Mechanismen (Komplementarität und Selektionseffekte, trophische Kopplung und Anpassung) zusammen, die den Beziehungen zwischen multi-facettierter Diversität, dem Funktionieren von Ökosystemen und der Umwelt zugrunde liegen, und erörtere die Möglichkeiten zur Verallgemeinerung meiner Ergebnisse über Ökosysteme hinweg sowie Perspektiven für die Ausarbeitung eines operativen Rahmens für der Biodiversität-Ökosystem- Funktionalität für Forscher und Anwender. KW - multifaceted diversity KW - multi-facettierter Diversität KW - perturbation KW - Störung KW - trait-based approaches KW - merkmalsbasierte Ansätze KW - food web models KW - Modelle der Nahrungsnetze KW - ecological stability KW - ökologische Stabilität KW - trait adaptation KW - Anpassung Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-646925 ER - TY - JOUR A1 - Raatz, Michael A1 - van Velzen, Ellen A1 - Gaedke, Ursula T1 - Co‐adaptation impacts the robustness of predator–prey dynamics against perturbations JF - Ecology and Evolution N2 - Global change threatens the maintenance of ecosystem functions that are shaped by the persistence and dynamics of populations. It has been shown that the persistence of species increases if they possess larger trait adaptability. Here, we investigate whether trait adaptability also affects the robustness of population dynamics of interacting species and thereby shapes the reliability of ecosystem functions that are driven by these dynamics. We model co‐adaptation in a predator–prey system as changes to predator offense and prey defense due to evolution or phenotypic plasticity. We investigate how trait adaptation affects the robustness of population dynamics against press perturbations to environmental parameters and against pulse perturbations targeting species abundances and their trait values. Robustness of population dynamics is characterized by resilience, elasticity, and resistance. In addition to employing established measures for resilience and elasticity against pulse perturbations (extinction probability and return time), we propose the warping distance as a new measure for resistance against press perturbations, which compares the shapes and amplitudes of pre‐ and post‐perturbation population dynamics. As expected, we find that the robustness of population dynamics depends on the speed of adaptation, but in nontrivial ways. Elasticity increases with speed of adaptation as the system returns more rapidly to the pre‐perturbation state. Resilience, in turn, is enhanced by intermediate speeds of adaptation, as here trait adaptation dampens biomass oscillations. The resistance of population dynamics strongly depends on the target of the press perturbation, preventing a simple relationship with the adaptation speed. In general, we find that low robustness often coincides with high amplitudes of population dynamics. Hence, amplitudes may indicate the robustness against perturbations also in other natural systems with similar dynamics. Our findings show that besides counteracting extinctions, trait adaptation indeed strongly affects the robustness of population dynamics against press and pulse perturbations. KW - disturbance KW - evolutionary rescue KW - population dynamics KW - stability KW - trait adaptation Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1002/ece3.5006 SN - 2045-7758 VL - 9 IS - 7 SP - 3823 EP - 3836 PB - John Wiley & Sons CY - Hoboken, NJ ER - TY - GEN A1 - Raatz, Michael A1 - van Velzen, Ellen A1 - Gaedke, Ursula T1 - Co‐adaptation impacts the robustness of predator–prey dynamics against perturbations T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Global change threatens the maintenance of ecosystem functions that are shaped by the persistence and dynamics of populations. It has been shown that the persistence of species increases if they possess larger trait adaptability. Here, we investigate whether trait adaptability also affects the robustness of population dynamics of interacting species and thereby shapes the reliability of ecosystem functions that are driven by these dynamics. We model co‐adaptation in a predator–prey system as changes to predator offense and prey defense due to evolution or phenotypic plasticity. We investigate how trait adaptation affects the robustness of population dynamics against press perturbations to environmental parameters and against pulse perturbations targeting species abundances and their trait values. Robustness of population dynamics is characterized by resilience, elasticity, and resistance. In addition to employing established measures for resilience and elasticity against pulse perturbations (extinction probability and return time), we propose the warping distance as a new measure for resistance against press perturbations, which compares the shapes and amplitudes of pre‐ and post‐perturbation population dynamics. As expected, we find that the robustness of population dynamics depends on the speed of adaptation, but in nontrivial ways. Elasticity increases with speed of adaptation as the system returns more rapidly to the pre‐perturbation state. Resilience, in turn, is enhanced by intermediate speeds of adaptation, as here trait adaptation dampens biomass oscillations. The resistance of population dynamics strongly depends on the target of the press perturbation, preventing a simple relationship with the adaptation speed. In general, we find that low robustness often coincides with high amplitudes of population dynamics. Hence, amplitudes may indicate the robustness against perturbations also in other natural systems with similar dynamics. Our findings show that besides counteracting extinctions, trait adaptation indeed strongly affects the robustness of population dynamics against press and pulse perturbations. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 809 KW - disturbance KW - evolutionary rescue KW - population dynamics KW - stability KW - trait adaptation Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-442489 SN - 1866-8372 IS - 809 ER -