TY - THES A1 - Guill, Christian T1 - Structure, stability and functioning of food webs T1 - Struktur, Stabilität und Funktion von Nahrungsnetzen N2 - In this thesis, a collection of studies is presented that advance research on complex food webs in several directions. Food webs, as the networks of predator-prey interactions in ecosystems, are responsible for distributing the resources every organism needs to stay alive. They are thus central to our understanding of the mechanisms that support biodiversity, which in the face of increasing severity of anthropogenic global change and accelerated species loss is of highest importance, not least for our own well-being. The studies in the first part of the thesis are concerned with general mechanisms that determine the structure and stability of food webs. It is shown how the allometric scaling of metabolic rates with the species' body masses supports their persistence in size-structured food webs (where predators are larger than their prey), and how this interacts with the adaptive adjustment of foraging efforts by consumer species to create stable food webs with a large number of coexisting species. The importance of the master trait body mass for structuring communities is further exemplified by demonstrating that the specific way the body masses of species engaging in empirically documented predator-prey interactions affect the predator's feeding rate dampens population oscillations, thereby helping both species to survive. In the first part of the thesis it is also shown that in order to understand certain phenomena of population dynamics, it may be necessary to not only take the interactions of a focal species with other species into account, but to also consider the internal structure of the population. This can refer for example to different abundances of age cohorts or developmental stages, or the way individuals of different age or stage interact with other species. Building on these general insights, the second part of the thesis is devoted to exploring the consequences of anthropogenic global change on the persistence of species. It is first shown that warming decreases diversity in size-structured food webs. This is due to starvation of large predators on higher trophic levels, which suffer from a mismatch between their respiration and ingestion rates when temperature increases. In host-parasitoid networks, which are not size-structured, warming does not have these negative effects, but eutrophication destabilises the systems by inducing detrimental population oscillations. In further studies, the effect of habitat change is addressed. On the level of individual patches, increasing isolation of habitat patches has a similar effect as warming, as it leads to decreasing diversity due to the extinction of predators on higher trophic levels. In this case it is caused by dispersal mortality of smaller and therefore less mobile species on lower trophic levels, meaning that an increasing fraction of their biomass production is lost to the inhospitable matrix surrounding the habitat patches as they become more isolated. It is further shown that increasing habitat isolation desynchronises population oscillations between the patches, which in itself helps species to persist by dampening fluctuations on the landscape level. However, this is counteracted by an increasing strength of local population oscillations fuelled by an indirect effect of dispersal mortality on the feeding interactions. Last, a study is presented that introduces a novel mechanism for supporting diversity in metacommunities. It builds on the self-organised formation of spatial biomass patterns in the landscape, which leads to the emergence of spatio-temporally varying selection pressures that keep local communities permanently out of equilibrium and force them to continuously adapt. Because this mechanism relies on the spatial extension of the metacommunity, it is also sensitive to habitat change. In the third part of the thesis, the consequences of biodiversity for the functioning of ecosystems are explored. The studies focus on standing stock biomass, biomass production, and trophic transfer efficiency as ecosystem functions. It is first shown that increasing the diversity of animal communities increases the total rate of intra-guild predation. However, the total biomass stock of the animal communities increases nevertheless, which also increases their exploitative pressure on the underlying plant communities. Despite this, the plant communities can maintain their standing stock biomass due to a shift of the body size spectra of both animal and plant communities towards larger species with a lower specific respiration rate. In another study it is further demonstrated that the generally positive relationship between diversity and the above mentioned ecosystem functions becomes steeper when not only the feeding interactions but also the numerous non-trophic interactions (like predator interference or competition for space) between the species of an ecosystem are taken into account. Finally, two studies are presented that demonstrate the power of functional diversity as explanatory variable. It is interpreted as the range spanned by functional traits of the species that determine their interactions. This approach allows to mechanistically understand how the ecosystem functioning of food webs with multiple trophic levels is affected by all parts of the food web and why a high functional diversity is required for efficient transportation of energy from primary producers to the top predators. The general discussion draws some synthesising conclusions, e.g. on the predictive power of ecosystem functioning to explain diversity, and provides an outlook on future research directions. N2 - In dieser Habilitationsschrift wird eine Zusammenstellung wissenschaftlicher Arbeiten präsentiert, die die Forschung zu komplexen Nahrungsnetzen in verschiedene Richtungen weiterentwickeln. Nahrungsnetze sind die Netzwerke der Räuber-Beute-Interaktionen in einem Ökosystem und bestimmen damit über die Verteilung der von allen Arten zum Überleben benötigten Ressourcen. Sie sind daher ein zentrales Konzept für das Verständnis der Mechanismen, die die Koexistenz einer Vielzahl von Arten ermöglichen. Angesichts der zunehmenden Intensität des anthropogenen globalen Wandels und sich weiter beschleunigendem Artensterben ist ein solches Verständnis von zentraler Bedeutung, nicht zuletzt auch für das menschliche Wohlergehen. Die Studien im ersten Teil der Thesis befassen sich mit generellen Mechanismen, die die Struktur und Stabilität von Nahrungsnetzen bestimmen. Es wird gezeigt, wie die allometrische Skalierung metabolischer Raten mit der Körpermasse der Individuen ihre Persistenz in größenstrukturierten Nahrungsnetzen unterstützt, und wie dies mit dem adaptiven Jagdverhalten von Räubern interagiert um stabile Nahrungsnetzstrukturen zu erzeugen. Basierend auf der Analyse empirisch dokumentierter Räuber-Beute-Paare wird zudem gezeigt, dass das Körpergrößenverhältnis von Räuber- und Beutearten deren Interaktionsstärke so beeinflusst, dass Populationsoszillationen stabilisiert werden. Weitere Studien demonstrieren, dass es zum Verständnis bestimmter populationsdynamischer Phänomene notwendig sein kann, die interne Struktur der betrachteten Populationen (z.B. die Größe von Alterskohorten) zu berücksichtigen. Auf diesen allgemeinen Erkenntnissen aufbauend werden im zweiten Teil der Habilitationsschrift Studien vorgestellt, die sich mit den Auswirkungen des anthropogenen globalen Wandels auf die Persistenz von Arten befassen. Erwärmung reduziert die Diversität in größenstrukturierten Nahrungsnetzen, indem sie zum Aussterben großer Räuberarten führt. Dies geschieht dadurch, dass die Respirationsrate wechselwarmer Tiere bei Erwärmung schneller ansteigt als ihre maximale Fraßrate. In Parasitoid-Wirt-Netzwerken mit flacher Größenstruktur hat Erwärmung keinen derartigen negativen Effekt, allerdings führt dort Eutrophierung durch die Induktion starker Populationsoszillationen zu Destabilisierung und Artensterben. In weiteren Studien werden die Auswirkungen von Habitatveränderung untersucht. Analog zur Erwärmung führt zunehmende Habitatisolation in den einzelnen Habitatflecken zu einem Rückgang der Diversität aufgrund des Aussterbens von großen Räuberarten. In diesem Fall wird das durch die Zunahme der Migrationsmortalität kleinerer und daher weniger mobiler Arten verursacht, welche dazu führt, dass ein immer größerer Anteil der Biomassenproduktion dieser Arten an die lebensfeindliche Matrix zwischen den Habitatflecken verloren geht. Es wird weiterhin gezeigt, dass zunehmende Isolation zur Desynchronisierung von Populationsoszillationen zwischen den einzelnen Habitatflecken führt. Allerdings führt die Zunahme der Wanderungsmortalität aufgrund eines indirekten Effektes auf die Fraßraten in den Habitatflecken zu einer Verstärkung der lokalen Populationsoszillationen, was den positiven Effekt der Desynchronisierung ausgleicht. Zuletzt wird in diesem Abschnitt ein neuartiger Mechanismus vorgestellt, der die Diversität in Meta-Gemeinschaften unterstützen kann. Er basiert auf selbstorganisierter Bildung räumlicher Muster in der Biomassenverteilung der Arten. Diese Muster erzeugen räumlich-zeitlich fluktuierende Selektionsdrücke, die die lokalen Artengemeinschaften in einem permanenten Nichtgleichgewichtszustand halten und dazu zwingen, sich ständig neu anzupassen. Da dieser Mechanismus auf der räumlichen Ausdehnung der Metagemeinschaften basiert, kann er ebenfalls empfindlich auf Habitatveränderungen reagieren. Im dritten Teil der Habilitationsschrift werden die Effekte von Biodiversität auf Ökosystemfunktionen untersucht. Die Studien beziehen sich dabei vor allem auf Bestand und Produktionsrate von Biomasse sowie auf die trophische Transfereffizienz. Es wird gezeigt, dass zunehmende Diversität von Tiergemeinschaften eine Verschiebung der Größenspektren von Pflanzen- und Tiergemeinschaften hin zu größeren Arten mit geringerer spezifischer Respirationsrate bewirkt, wodurch es den Pflanzengemeinschaften möglich wird, ihren Biomassenbestand trotz erhöhtem Fraßdruck zu erhalten. In einer weiteren Studie wird gezeigt, dass der im Allgemeinen positive Zusammenhang zwischen Biodiversität und den genannten Ökosystemfunktionen verstärkt wird, wenn neben den Fraßbeziehungen der Arten auch die zahlreichen weiteren Interaktionsmöglichkeiten der Arten (wie zum Beispiel Flächenkonkurrenz sessiler Arten) berücksichtigt werden. Abschließend werden zwei Studien präsentiert, auf funktioneller Diversität als zentraler erklärender Variable beruhen. Diese wird interpretiert als der Wertebereich, den funktionelle Merkmale, die die Interaktionen der Arten bestimmen, überspannen. Dieser Ansatz erlaubt es, mechanistisch nachzuvollziehen, wie die ökologischen Funktionen von Nahrungsnetzen von den einzelnen Teilen der Netzwerke beeinflusst werden, und warum eine hohe funktionelle Diversität für den effizienten Transport der Biomasse von den Primärproduzenten zu den Räubern an der Spitze der Nahrungskette notwendig ist. In der allgemeinen Diskussion werden einige zusammenfassende Schlussfolgerungen gezogen, die zum Beispiel die Vorhersagekraft von Ökosystemfunktionen zum Erklären der Diversität betreffen, und es wird ein Ausblick auf künftige Forschungsansätze gegeben. KW - ecology KW - food webs KW - biodiversity KW - anthropogenic global change KW - metacommunities KW - ecosystem functioning KW - functional diversity KW - Ökologie KW - Nahrungsnetze KW - Biodiversität KW - anthropogener globaler Wandel KW - Metagemeinschaften KW - Ökosystemfunktionen KW - funktionelle Diversität Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-561153 ER - TY - THES A1 - Lauterbach, Lars T1 - NiFe hydrogenases BT - Exploitation of biological H2 conversion in the presence of O2 for biotechnology Y1 - 2020 ER - TY - THES A1 - Dammhahn, Melanie T1 - From individual variation to community structure : paterns, determinants and consequences of within- and between-species variation in behaviour, life-history and ecology Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - de Vera, Jean-Pierre Paul T1 - The relevance of ecophysiology in astrobiology and planetary research T1 - Die Relevanz der Ökophysiologie in der Astrobiologie und Planetenforschung BT - implications for the characterization of the habitability of planets and biosignatures BT - Implikationen für die Charakterisierung der Habitabilität von Planeten und Biosignaturen N2 - Eco-physiological processes are expressing the interaction of organisms within an environmental context of their habitat and their degree of adaptation, level of resistance as well as the limits of life in a changing environment. The present study focuses on observations achieved by methods used in this scientific discipline of “Ecophysiology” and to enlarge the scientific context in a broader range of understanding with universal character. The present eco-physiological work is building the basis for classifying and exploring the degree of habitability of another planet like Mars by a bio-driven experimentally approach. It offers also new ways of identifying key-molecules which are playing a specific role in physiological processes of tested organisms to serve as well as potential biosignatures in future space exploration missions with the goal to search for life. This has important implications for the new emerging scientific field of Astrobiology. Astrobiology addresses the study of the origin, evolution, distribution and future of life in the universe. The three fundamental questions which are hidden behind this definition are: how does life begin and evolve? Is there life beyond Earth and, if so, how can we detect it? What is the future of life on Earth and in the universe? It means that this multidisciplinary field encompasses the search for habitable environments in our Solar System and habitable planets outside our Solar System. It comprises the search for the evidence of prebiotic chemistry and life on Mars and other bodies in our Solar System like the icy moons of the Jovian and Saturnian system, laboratory and field research into the origins and early evolution of life on Earth, and studies of the potential for life to adapt to challenges on Earth and in space. For this purpose an integrated research strategy was applied, which connects field research, laboratory research allowing planetary simulation experiments with investigation enterprises performed in space (particularly performed in the low Earth Orbit. N2 - Ökophysiologische Prozesse sind durch Interaktionen der Organismen mit der Umwelt in ihrem Habitat, durch ihren Grad der Anpassungsfähigkeit, dem Grad der Resistenz als auch durch die Begrenzungen des Lebens in einer sich verändernden Umwelt gekennzeichnet. Die hier vorliegende Studie konzentriert sich auf die Ergebnisse, die durch die Anwendung der Methoden aus der wissenschaftlichen Disziplin „Ökophysiologie“ erzielt wurden und erlaubt eine Erweiterung dieses wissenschaftlichen Kontextes mit mehr universalem Charakter. Die vorliegende Ökophysiologische Arbeit bildet die Grundlage für eine Klassifizierung und Erkundung des Grades der Habitabilität eines anderen Planeten wie dem Mars durch experimentelle Ansätze. Sie zeigt auch neue Wege für die Identifizierung von Schlüsselmolekülen, die eine besondere Rolle in physiologischen Prozessen getesteter Organismen spielt, um auch als mögliche Biosignaturen für zukünftige Weltraumerkundungsmissionen mit dem Ziel der Suche nach Leben im All zu dienen. Das wirkt sich auch im besonderen Maße auf das sich neu ausbildende wissenschaftliche Feld der Astrobiologie aus. Die Astrobiologie befaßt sich mit der Erforschung des Ursprungs, der Entwicklung, der Verbreitung und Zukunft des Lebens im Universum. Die drei grundlegenden Fragen, die sich hinter dieser Definition verbergen, sind: wie entstand und entwickelte sich das Leben? Gibt es Leben außerhalb der Erde, und falls ja, wie können wir es nachweisen? Was ist die Zukunft des Lebens auf der Erde und im Universum? Das bedeutet, dass dieses viele Disziplinen umfassende Arbeitsfeld die Suche nach einer anderen habitablen Umwelt in unserem Sonnensystem und anderen habitablen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, die Suche nach der Evidenz präbiotischer Chemie und Leben auf dem Mars und anderen Himmelskörpern in unserem Sonnensystem, wie beispielsweise auf den Eismonden des Jupiter- und Saturnsystems, Labor- und Feldforschung bis hin zu den Ursprüngen und der Evolution des Lebens auf der Erde beinhaltet und Untersuchungen über das Potential von Leben, sich den Herausforderungen auf der Erde und im All anzupassen, mit einschließt. Zu diesem Zweck wurde eine ganzheitliche Forschungsstrategie angewendet, welche die Feldforschung, Laborforschung mit Planetensimulations-Experimenten und die Forschung im All(insbesondere die Untersuchungen im nahen Erdorbit) miteinander verbindet. KW - astrobiology KW - eco-physiology KW - planetary simulation KW - biosignatures KW - habitability KW - Astrobiologie KW - Ökophysiologie KW - Planetensimulation KW - Biosignaturen KW - Habitabilität Y1 - 2018 ER - TY - THES A1 - Bibi, Faysal T1 - Paleoecology and evolution in the Afro-Arabian neogene T1 - Paläoökologie und Evolution im afro-arabischen Neogen N2 - This cumulative habilitation thesis presents new work on the systematics, paleoecology, and evolution of antelopes and other large mammals, focusing mainly on the late Miocene to Pleistocene terrestrial fossil record of Africa and Arabia. The studies included here range from descriptions of new species to broad-scale analyses of diversification and community evolution in large mammals over millions of years. A uniting theme is the evolution, across both temporal and spatial scales, of the environments and faunas that characterize modern African savannas today. One conclusion of this work is that macroevolutionary changes in large mammals are best characterized at regional (subcontinental to continental) and long-term temporal scales. General views of evolution developed on records that are too restricted in spatial and temporal extent are likely to ascribe too much influence to local or short-lived events. While this distinction in the scale of analysis and interpretation may seem trivial, it is challenging to implement given the geographically and temporally uneven nature of the fossil record, and the difficulties of synthesizing spatially and temporally dispersed datasets. This work attempts to do just that, bringing together primary fossil discoveries from eastern Africa to Arabia, from the Miocene to the Pleistocene, and across a wide range of (mainly large mammal) taxa. The end result is support for hypotheses stressing the impact of both climatic and biotic factors on long-term faunal change, and a more geographically integrated view of evolution in the African fossil record. N2 - Die vorliegende kumulative Habilitationsarbeit beschäftigt sich mit der Systematik, Paläoökologie und Evolution von Antilopen und anderen Großsäugetieren mit Schwerpunkt auf dem spätmiozänen bis pleistozänen Fossilbericht Arabiens und Afrikas. Die Untersuchungen reichen dabei von der Beschreibung neuer Arten bis hin zu großmaßstäblichen Analysen zur Diversifikation und Community-Evolution von Großsäugern über mehrere Millionen Jahre, mit besonderem Augenmerk auf der zeitlichen und räumlichen Evolution der für die heutigen afrikanischen Savannen charakteristischen Fauna und Umwelt. Eine der Schlussfolgerungen der vorliegenden Arbeit lautet, dass makroevolutionärer Wandel bei Großsäugetieren am besten auf der regionalen (subkontinental bis kontinentalen) Ebene sowie über lange zeitliche Skalen hinweg sichtbar wird. Umgekehrt scheinen davon abweichende Ergebnisse früherer Studien, welche häufig auf zeitlich und räumlich eingeschränkter Basis durchgeführt wurden, übermäßig von kurzfristigen Ereignissen beeinflusst worden zu sein. Ein besseres Verständnis für die methodischen Ursachen dieser unterschiedlichen Bewertungen ist von großer Bedeutung in Anbetracht der variablen Qualität des Fossilberichts und den Schwierigkeiten, derartige zeitlich und räumlich oftmals heterogenen Datensätze adäquat zu synthetisieren – letzteres war ein erklärtes Ziel der vorliegenden Arbeit. Schlussendlich unterstützen die hier dargelegten Untersuchungen die Hypothese eines Einflusses von sowohl klimatischen wie biotischen Faktoren auf langzeitlichen Faunenwandel und bieten eine neue, integrierte Perspektive auf die Evolution der afrikanischen Großsäuger-Faunen. KW - Africa KW - Arabia KW - neogene KW - paleontology KW - mammals KW - Afrika KW - Arabien KW - Neogen KW - Paläontologie KW - Säugetiere Y1 - 2018 ER - TY - THES A1 - Scheffler, Christiane T1 - Studies on plasticity within the universal pattern of growth and developmet of children and adolescents N2 - The anatomically modern human Homo sapiens sapiens is distinguished by a high adaptability in physiology, physique and behaviour in short term changing environmental conditions. Since our environmental factors are constantly changing because of anthropogenic influences, the question arises as to how far we have an impact on the human phenotype in the very sensitive growth phase in children and adolescents. Growth and development of all children and adolescents follow a universal and typical pattern. This pattern has evolved as the result of trade-offs in the 6-7 million years of human evolution. This typically human growth pattern differs from that of other long-living social primate species. It can be divided into different biological age stages, with specific biological, cognitive and socio-cultural signs. Phenotypic plasticity is the ability of an organism to react to an internal or external environmental input with a change in the form, state, and movement rate of activity (West-Eberhard 2003). The plasticity becomes visible and measurable particularly when, in addition to the normal variability of the phenotypic characteristics within a population, the manifestation of this plasticity changes within a relatively short time. The focus of the present work is the comparison of age-specific dimensional changes. The basic of the presented studies are more than 75,000 anthropometric data-sets of children and adolescence from 1980 up today and historical data of height available in scientific literature. Due to reduced daily physical activity, today's 6-18 year-olds have lower values of pelvic and elbow breadths. The observed increase in body height can be explained by hierarchies in social networks of human societies, contrary to earlier explanations (influence of nutrition, good living conditions and genetics). A shift towards a more feminine fat distribution pattern in boys and girls is parallel to the increase in chemicals in our environment that can affect the hormone system. Changing environmental conditions can have selective effects over generations so that that genotype becomes increasingly prevalent whose individuals have a higher progeny rate than other individuals in this population. Those then form the phenotype which allows optimum adaptation to the changes of the environmental conditions. Due to the slow patterns of succession and the low progeny rate (Hawkes et al. 1998), fast visible in the phenotype due to changes in the genotype of a population are unlikely to occur in the case of Homo sapiens sapiens within short time. In the data sets on which the presented investigations are based, such changes appear virtually impossible. The study periods cover 5-30 to max.100 years (based on data from the body height from historical data sets). N2 - Der anatomisch moderne Mensch Homo sapiens sapiens zeichnet sich durch eine hohe Anpassungsfähigkeit von Physiologie, Körperbau und Verhalten an sich kurzfristig ändernde Umweltbedingungen aus. Daraus ergibt sich die Frage inwieweit anthropogene Umweltbedingungen die sehr sensible Wachstumsphase von Kindern und Jugendlichen beeinflussen können. Das universelle und für den Menschen typische Wachstums- und Entwicklungsmuster mit unterschiedlichen biologisch, kognitiv und soziokulturell abgrenzbaren Entwicklungsstadien, welches sich in 6-7 Millionen Jahren menschlicher Evolution herausgebildet hat, unterscheidet sich von dem anderer langlebender sozialer Primaten. Phänotypische Plastizität ist die Fähigkeit eines Organismus sich in Form, Zustand, Aktivitätsrate oder Verhalten an unterschiedliche Umweltbedingungen anzupassen (West-Eberhard 2003). Beim Menschen wird diese Plastizität u.a. sichtbar, wenn sich anthropometrisch bestimmbare Merkmale im Vergleich von Populationen in relativ kurzer Zeit ändern. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist es, altersspezifische Änderung von Körpermaßen (Skelettbreiten, Körperendhöhe und Fettverteilungsmuster) aufeinanderfolgender Populationen in Abhängigkeit von neuen Umweltparametern zu vergleichen. Dem liegen ca. 75 000 anthropo-metrische Datensätzen von Kindern und Jugendlichen seit 1980 bis heute und historische Datensätze aus der Literatur zugrunde. Aufgrund verringerter alltäglicher Bewegung haben heutige 6-18-Jährige geringere Werte der Becken- und der Ellenbogenbreiten. Die beobachtete Zunahme der Körperhöhe lässt sich entgegen früherer Erklärungen (Einfluss von Ernährung, guter Lebensbedingungen und Genetik) durch Hierarchien in sozialen Netzwerken menschlicher Gesellschaften erklären. Eine Verschiebung zu einem eher weiblichen Fettverteilungsmuster bei Jungen und Mädchen findet sich parallel zur Zunahme von Chemikalien in unserer Umwelt, die das Hormonsystem beeinflussen können. Die beschriebene Plastizität des Phänotyps findet im Rahmen des genetisch manifestierten Wachstumsmusters bei Kindern und Jugendlichen statt. Epigenetische Einflüsse können nicht ausgeschlossen werden, sind aber an Körpermaßdaten per se nicht bestimmbar. Die Veränderung der analysierten Körpermaße unterstreicht, dass der Phänotyp des Menschen sich an veränderte Umweltbedingungen sehr plastisch anpassen kann. Wegen der langsamen Generationenfolge und Entwicklung des Menschen sind derartige eigentlich kurzfristige Veränderungen nur über einen Zeitraum von mindestens 5-30 Jahren zu beobachten. KW - plasticity KW - skeletal breadth measurement KW - Fat Patterning KW - secular trend KW - body height Y1 - 2018 ER - TY - THES A1 - Barbirz, Stefanie T1 - Highly specific binders for bacterial polysaccharides BT - bacteriophage tailspike proteins as research models in structural thermodynamics and bacteriophage infection Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Knecht, Volker T1 - Modeling Biomolecular Association Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Kersten, Birgit T1 - Proteom-weite Studien zur Phosphorylierung pflanzlicher Proteine mittels Proteinmikroarrays und Bioinformatik Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Balazadeh, Salma T1 - New insights into the molecular mechanisms of leaf senescence Y1 - 2015 ER -