TY - THES A1 - Martin, Benjamin T1 - Linking individual-based models and dynamic energy budget theory : lessons for ecology and ecotoxicology T1 - Individuenbasierte Modelle mit dynamischen Energiehaushalten bereichern die Ökologie und Ökotoxikologie N2 - In the context of ecological risk assessment of chemicals, individual-based population models hold great potential to increase the ecological realism of current regulatory risk assessment procedures. However, developing and parameterizing such models is time-consuming and often ad hoc. Using standardized, tested submodels of individual organisms would make individual-based modelling more efficient and coherent. In this thesis, I explored whether Dynamic Energy Budget (DEB) theory is suitable for being used as a standard submodel in individual-based models, both for ecological risk assessment and theoretical population ecology. First, I developed a generic implementation of DEB theory in an individual-based modeling (IBM) context: DEB-IBM. Using the DEB-IBM framework I tested the ability of the DEB theory to predict population-level dynamics from the properties of individuals. We used Daphnia magna as a model species, where data at the individual level was available to parameterize the model, and population-level predictions were compared against independent data from controlled population experiments. We found that DEB theory successfully predicted population growth rates and peak densities of experimental Daphnia populations in multiple experimental settings, but failed to capture the decline phase, when the available food per Daphnia was low. Further assumptions on food-dependent mortality of juveniles were needed to capture the population dynamics after the initial population peak. The resulting model then predicted, without further calibration, characteristic switches between small- and large-amplitude cycles, which have been observed for Daphnia. We conclude that cross-level tests help detecting gaps in current individual-level theories and ultimately will lead to theory development and the establishment of a generic basis for individual-based models and ecology. In addition to theoretical explorations, we tested the potential of DEB theory combined with IBMs to extrapolate effects of chemical stress from the individual to population level. For this we used information at the individual level on the effect of 3,4-dichloroanailine on Daphnia. The individual data suggested direct effects on reproduction but no significant effects on growth. Assuming such direct effects on reproduction, the model was able to accurately predict the population response to increasing concentrations of 3,4-dichloroaniline. We conclude that DEB theory combined with IBMs holds great potential for standardized ecological risk assessment based on ecological models. N2 - Für die ökologische Risikobewertung von Chemikalien sind individuenbasierte Populationsmodelle ein vielversprechendes Werkzeug um heutige Bewertungen ökologisch realistischer zu gestalten. Allerdings ist die Entwicklung und Parametrisierung derartiger Modelle zeitaufwendig und oft wenig systematisch. Standardisierte, geprüfte Untermodelle, die Einzelorganismen beschreiben, würden die individuenbasierte Modellierung effizienter und kohärenter machen. In meiner Dissertation habe ich daher untersucht, inwieweit sich die Dynamic Energy Budget-Theorie (DEB) als Standardmodell innerhalb individuenbasierter Populationsmodelle eignet, und zwar sowohl für die ökologische Risikobewertung als auch für die theoretische Populationsökologie. Zunächst habe ich eine generische Implementierung der DEB-Theorie im Rahmen individuenbasierter Modellen (IBM) erstellt: DEB-IBM. Dieses Werkzeug nutzend habe ich dann untersucht, ob es mit Hilfe der DEB-Theorie gelingt, ausgehend von den Eigenschaften und Aktivitäten einzelner Individuen, Populationsdynamik vorherzusagen. Wir nutzten dabei Daphnia magna als Modellart, für die Daten auf der Individuenebene verfügbar waren, um das Modell zu parametrisieren, sowie Populationsdaten, mit denen Modellvorhersagen verglichen werden konnten. DEB-Theorie war in der Lage, beobachtete Populationswachstumsraten sowie die maximalen Abundanzen korrekt vorherzusagen, und zwar für verschiedene Umweltbedingungen. Für Phasen des Rückgangs der Population allerdings, wenn die für die Daphnien verfügbare Nahrungsmenge gering war, kam es zu Abweichungen. Es waren deshalb zusätzliche Annahmen über nahrungsabhängige Sterblichkeit von juvenilen Daphnien erforderlich, um die gesamte Populationsdynamik korrekt vorherzusagen. Das resultierende Modell konnte dann, ohne weitere Kalibrierungen, den für Daphnien charakteristischen Wechsel zwischen Populationszyklen mit großen und kleinen Amplituden richtig vorhersagen. Wir folgern daraus, daß Ebenen übergreifende Tests dabei helfen, Lücken in aktuellen Theorien über Einzelorganismen aufzudecken Dies trägt zur Theorieentwicklung bei und liefert Grundlagen für individuenbasierte Modellierung und Ökologie. Über diese Grundlagenfragen hinaus haben wir überprüft, ob DEB-Theorie in Kombination mit IBMs es ermöglicht, den Effekt von chemischem Streß auf Individuen auf die Populationsebene zu extrapolieren. Wir nutzten Daten über die Auswirkungen von 3,4 Dichloroanalin auf einzelne Daphnien, die zeigten daß im Wesentlichen die Reproduktion, nicht aber das Wachstum beeinträchtigt ist. Mit entsprechenden Annahmen konnte unser Modell den Effekt auf Populationsebene, für den unabhängige Daten vorlagen, korrekt vorhersagen. DEB-Theorie in Kombination mit individuenbasierter Modellierung birgt somit großes Potential für einen standardisierten modellbasierten Ansatz in der ökologischen Risikobewertung von Chemikalien. KW - Ökologie KW - Ökotoxikologie KW - Populationsdynamik KW - Ecology KW - Ecotoxicology KW - population dynamics Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-67001 ER - TY - JOUR A1 - Martin, Benjamin T. A1 - Jager, Tjalling A1 - Nisbet, Roger M. A1 - Preuss, Thomas G. A1 - Grimm, Volker T1 - Predicting population dynamics from the properties of individuals - a cross-level test of dynamic energy budget theory JF - The American naturalist : a bi-monthly journal devoted to the advancement and correlation of the biological sciences N2 - Individual-based models (IBMs) are increasingly used to link the dynamics of individuals to higher levels of biological organization. Still, many IBMs are data hungry, species specific, and time-consuming to develop and analyze. Many of these issues would be resolved by using general theories of individual dynamics as the basis for IBMs. While such theories have frequently been examined at the individual level, few cross-level tests exist that also try to predict population dynamics. Here we performed a cross-level test of dynamic energy budget (DEB) theory by parameterizing an individual-based model using individual-level data of the water flea, Daphnia magna, and comparing the emerging population dynamics to independent data from population experiments. We found that DEB theory successfully predicted population growth rates and peak densities but failed to capture the decline phase. Further assumptions on food-dependent mortality of juveniles were needed to capture the population dynamics after the initial population peak. The resulting model then predicted, without further calibration, characteristic switches between small-and large-amplitude cycles, which have been observed for Daphnia. We conclude that cross-level tests help detect gaps in current individual-level theories and ultimately will lead to theory development and the establishment of a generic basis for individual-based models and ecology. KW - population dynamics KW - dynamic energy budget theory KW - bioenergetics KW - individual-based model Y1 - 2013 U6 - https://doi.org/10.1086/669904 SN - 0003-0147 VL - 181 IS - 4 SP - 506 EP - 519 PB - Univ. of Chicago Press CY - Chicago ER - TY - JOUR A1 - Massie, Thomas Michael A1 - Ryabov, Alexei A1 - Blasius, Bernd A1 - Weithoff, Guntram A1 - Gaedke, Ursula T1 - Complex transient dynamics of stage-structured populations in response to environmental changes JF - The American naturalist : a bi-monthly journal devoted to the advancement and correlation of the biological sciences N2 - Stage structures of populations can have a profound influence on their dynamics. However, not much is known about the transient dynamics that follow a disturbance in such systems. Here we combined chemostat experiments with dynamical modeling to study the response of the phytoplankton species Chlorella vulgaris to press perturbations. From an initially stable steady state, we altered either the concentration or dilution rate of a growth-limiting resource. This disturbance induced a complex transient response-characterized by the possible onset of oscillations-before population numbers relaxed to a new steady state. Thus, cell numbers could initially change in the opposite direction of the long-term change. We present quantitative indexes to characterize the transients and to show that the dynamic response is dependent on the degree of synchronization among life stages, which itself depends on the state of the population before perturbation. That is, we show how identical future steady states can be approached via different transients depending on the initial population structure. Our experimental results are supported by a size-structured model that accounts for interplay between cell-cycle and population-level processes and that includes resource-dependent variability in cell size. Our results should be relevant to other populations with a stage structure including organisms of higher order. KW - chemostat experiments KW - Chlorella vulgaris KW - environmental changes KW - population dynamics KW - stage structure KW - transient dynamics Y1 - 2013 U6 - https://doi.org/10.1086/670590 SN - 0003-0147 SN - 1537-5323 VL - 182 IS - 1 SP - 103 EP - 119 PB - Univ. of Chicago Press CY - Chicago ER - TY - THES A1 - Patra, Pintu T1 - Population dynamics of bacterial persistence T1 - Populationsdynamik von Bakterielle Persistenz N2 - The life of microorganisms is characterized by two main tasks, rapid growth under conditions permitting growth and survival under stressful conditions. The environments, in which microorganisms dwell, vary in space and time. The microorganisms innovate diverse strategies to readily adapt to the regularly fluctuating environments. Phenotypic heterogeneity is one such strategy, where an isogenic population splits into subpopulations that respond differently under identical environments. Bacterial persistence is a prime example of such phenotypic heterogeneity, whereby a population survives under an antibiotic attack, by keeping a fraction of population in a drug tolerant state, the persister state. Specifically, persister cells grow more slowly than normal cells under growth conditions, but survive longer under stress conditions such as the antibiotic administrations. Bacterial persistence is identified experimentally by examining the population survival upon an antibiotic treatment and the population resuscitation in a growth medium. The underlying population dynamics is explained with a two state model for reversible phenotype switching in a cell within the population. We study this existing model with a new theoretical approach and present analytical expressions for the time scale observed in population growth and resuscitation, that can be easily used to extract underlying model parameters of bacterial persistence. In addition, we recapitulate previously known results on the evolution of such structured population under periodically fluctuating environment using our simple approximation method. Using our analysis, we determine model parameters for Staphylococcus aureus population under several antibiotics and interpret the outcome of cross-drug treatment. Next, we consider the expansion of a population exhibiting phenotype switching in a spatially structured environment consisting of two growth permitting patches separated by an antibiotic patch. The dynamic interplay of growth, death and migration of cells in different patches leads to distinct regimes in population propagation speed as a function of migration rate. We map out the region in parameter space of phenotype switching and migration rate to observe the condition under which persistence is beneficial. Furthermore, we present an extended model that allows mutation from the two phenotypic states to a resistant state. We find that the presence of persister cells may enhance the probability of resistant mutation in a population. Using this model, we explain the experimental results showing the emergence of antibiotic resistance in a Staphylococcus aureus population upon tobramycin treatment. In summary, we identify several roles of bacterial persistence, such as help in spatial expansion, development of multidrug tolerance and emergence of antibiotic resistance. Our study provides a theoretical perspective on the dynamics of bacterial persistence in different environmental conditions. These results can be utilized to design further experiments, and to develop novel strategies to eradicate persistent infections. N2 - Das Leben von Mikroorganismen kann in zwei charakteristische Phasen unterteilt werde, schnelles Wachstum unter Wachstumsbedingungen und Überleben unter schwierigen Bedingungen. Die Bedingungen, in denen sich die Mikroorganismen aufhalten, verändern sich in Raum und Zeit. Um sich schnell an die ständig wechselnden Bedingungen anzupassen entwickeln die Mikroorganismen diverse Strategien. Phänotypische Heterogenität ist eine solche Strategie, bei der sich eine isogene Popolation in Untergruppen aufteilt, die unter identischen Bedingungen verschieden reagieren. Bakterielle Persistenz ist ein Paradebeispiel einer solchen phänotypischen Heterogenität. Hierbei überlebt eine Popolation die Behandlung mit einem Antibiotikum, indem sie einen Teil der Bevölkerung in einem, dem Antibiotikum gegenüber tolerant Zustand lässt, der sogenannte "persister Zustand". Persister-Zellen wachsen unter Wachstumsbedingungen langsamer als normale Zellen, jedoch überleben sie länger in Stress-Bedingungen, wie bei Antibiotikaapplikation. Bakterielle Persistenz wird experimentell erkannt indem man überprüft ob die Population eine Behandlung mit Antibiotika überlebt und sich in einem Wachstumsmedium reaktiviert. Die zugrunde liegende Popolationsdynamik kann mit einem Zwei-Zustands-Modell für reversibles Wechseln des Phänotyps einer Zelle in der Bevölkerung erklärt werden. Wir untersuchen das bestehende Modell mit einem neuen theoretischen Ansatz und präsentieren analytische Ausdrücke für die Zeitskalen die für das Bevölkerungswachstums und die Reaktivierung beobachtet werden. Diese können dann einfach benutzt werden um die Parameter des zugrunde liegenden bakteriellen Persistenz-Modells zu bestimmen. Darüber hinaus rekapitulieren wir bisher bekannten Ergebnisse über die Entwicklung solch strukturierter Bevölkerungen unter periodisch schwankenden Bedingungen mithilfe unseres einfachen Näherungsverfahrens. Mit unserer Analysemethode bestimmen wir Modellparameter für eine Staphylococcus aureus-Popolation unter dem Einfluss mehrerer Antibiotika und interpretieren die Ergebnisse der Behandlung mit zwei Antibiotika in Folge. Als nächstes betrachten wir die Ausbreitung einer Popolation mit Phänotypen-Wechsel in einer räumlich strukturierten Umgebung. Diese besteht aus zwei Bereichen, in denen Wachstum möglich ist und einem Bereich mit Antibiotikum der die beiden trennt. Das dynamische Zusammenspiel von Wachstum, Tod und Migration von Zellen in den verschiedenen Bereichen führt zu unterschiedlichen Regimen der Populationsausbreitungsgeschwindigkeit als Funktion der Migrationsrate. Wir bestimmen die Region im Parameterraum der Phänotyp Schalt-und Migrationsraten, in der die Bedingungen Persistenz begünstigen. Darüber hinaus präsentieren wir ein erweitertes Modell, das Mutation aus den beiden phänotypischen Zuständen zu einem resistenten Zustand erlaubt. Wir stellen fest, dass die Anwesenheit persistenter Zellen die Wahrscheinlichkeit von resistenten Mutationen in einer Population erhöht. Mit diesem Modell, erklären wir die experimentell beobachtete Entstehung von Antibiotika- Resistenz in einer Staphylococcus aureus Popolation infolge einer Tobramycin Behandlung. Wir finden also verschiedene Funktionen bakterieller Persistenz. Sie unterstützt die räumliche Ausbreitung der Bakterien, die Entwicklung von Toleranz gegenüber mehreren Medikamenten und Entwicklung von Resistenz gegenüber Antibiotika. Unsere Beschreibung liefert eine theoretische Betrachtungsweise der Dynamik bakterieller Persistenz bei verschiedenen Bedingungen. Die Resultate könnten als Grundlage neuer Experimente und der Entwicklung neuer Strategien zur Ausmerzung persistenter Infekte dienen. KW - Populationsdynamik KW - Antibiotikaresistenz KW - Antibiotika-Toleranz KW - Phänotypische Heterogenität KW - population dynamics KW - drug tolerance KW - antibiotic resistance KW - phenotypic heterogeneity Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-69253 ER - TY - JOUR A1 - Sibly, Richard M. A1 - Grimm, Volker A1 - Martin, Benjamin T. A1 - Johnston, Alice S. A. A1 - Kulakowska, Katarzyna A1 - Topping, Christopher J. A1 - Calow, Peter A1 - Nabe-Nielsen, Jacob A1 - Thorbek, Pernille A1 - DeAngelis, Donald L. T1 - Representing the acquisition and use of energy by individuals in agent-based models of animal populations JF - Methods in ecology and evolution : an official journal of the British Ecological Society N2 - Agent-based models (ABMs) are widely used to predict how populations respond to changing environments. As the availability of food varies in space and time, individuals should have their own energy budgets, but there is no consensus as to how these should be modelled. Here, we use knowledge of physiological ecology to identify major issues confronting the modeller and to make recommendations about how energy budgets for use in ABMs should be constructed. Our proposal is that modelled animals forage as necessary to supply their energy needs for maintenance, growth and reproduction. If there is sufficient energy intake, an animal allocates the energy obtained in the order: maintenance, growth, reproduction, energy storage, until its energy stores reach an optimal level. If there is a shortfall, the priorities for maintenance and growth/reproduction remain the same until reserves fall to a critical threshold below which all are allocated to maintenance. Rates of ingestion and allocation depend on body mass and temperature. We make suggestions for how each of these processes should be modelled mathematically. Mortality rates vary with body mass and temperature according to known relationships, and these can be used to obtain estimates of background mortality rate. If parameter values cannot be obtained directly, then values may provisionally be obtained by parameter borrowing, pattern-oriented modelling, artificial evolution or from allometric equations. The development of ABMs incorporating individual energy budgets is essential for realistic modelling of populations affected by food availability. Such ABMs are already being used to guide conservation planning of nature reserves and shell fisheries, to assess environmental impacts of building proposals including wind farms and highways and to assess the effects on nontarget organisms of chemicals for the control of agricultural pests. KW - bioenergetics KW - energy budget KW - individual-based models KW - population dynamics Y1 - 2013 U6 - https://doi.org/10.1111/2041-210x.12002 SN - 2041-210X VL - 4 IS - 2 SP - 151 EP - 161 PB - Wiley-Blackwell CY - Hoboken ER -