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On the role of trade-offs in predator-prey interactions

Trade-offs und ihre Bedeutung in Räuber-Beute Interaktionen

  • Predation drives coexistence, evolution and population dynamics of species in food webs, and has strong impacts on related ecosystem functions (e.g. primary production). The effect of predation on these processes largely depends on the trade-offs between functional traits in the predator and prey community. Trade-offs between defence against predation and competitive ability, for example, allow for prey speciation and predator-mediated coexistence of prey species with different strategies (defended or competitive), which may stabilize the overall food web dynamics. While the importance of such trade-offs for coexistence is widely known, we lack an understanding and the empirical evidence of how the variety of differently shaped trade-offs at multiple trophic levels affect biodiversity, trait adaptation and biomass dynamics in food webs. Such mechanistic understanding is crucial for predictions and management decisions that aim to maintain biodiversity and the capability of communities to adapt to environmental change ensuring theirPredation drives coexistence, evolution and population dynamics of species in food webs, and has strong impacts on related ecosystem functions (e.g. primary production). The effect of predation on these processes largely depends on the trade-offs between functional traits in the predator and prey community. Trade-offs between defence against predation and competitive ability, for example, allow for prey speciation and predator-mediated coexistence of prey species with different strategies (defended or competitive), which may stabilize the overall food web dynamics. While the importance of such trade-offs for coexistence is widely known, we lack an understanding and the empirical evidence of how the variety of differently shaped trade-offs at multiple trophic levels affect biodiversity, trait adaptation and biomass dynamics in food webs. Such mechanistic understanding is crucial for predictions and management decisions that aim to maintain biodiversity and the capability of communities to adapt to environmental change ensuring their persistence. In this dissertation, after a general introduction to predator-prey interactions and tradeoffs, I first focus on trade-offs in the prey between qualitatively different types of defence (e.g. camouflage or escape behaviour) and their costs. I show that these different types lead to different patterns of predator-mediated coexistence and population dynamics, by using a simple predator-prey model. In a second step, I elaborate quantitative aspects of trade-offs and demonstrates that the shape of the trade-off curve in combination with trait-fitness relationships strongly affects competition among different prey types: Either specialized species with extreme trait combinations (undefended or completely defended) coexist, or a species with an intermediate defence level dominates. The developed theory on trade-off shapes and coexistence is kept general, allowing for applications apart from defence-competitiveness trade-offs. Thirdly, I tested the theory on trade-off shapes on a long-term field data set of phytoplankton from Lake Constance. The measured concave trade-off between defence and growth governs seasonal trait changes of phytoplankton in response to an altering grazing pressure by zooplankton, and affects the maintenance of trait variation in the community. In a fourth step, I analyse the interplay of different tradeoffs at multiple trophic levels with plankton data of Lake Constance and a corresponding tritrophic food web model. The results show that the trait and biomass dynamics of the different three trophic levels are interrelated in a trophic biomass-trait cascade, leading to unintuitive patterns of trait changes that are reversed in comparison to predictions from bitrophic systems. Finally, in the general discussion, I extract main ideas on trade-offs in multitrophic systems, develop a graphical theory on trade-off-based coexistence, discuss the interplay of intra- and interspecific trade-offs, and end with a management-oriented view on the results of the dissertation, describing how food webs may respond to future global changes, given their trade-offs.show moreshow less
  • Trophische Interaktionen sind von entscheidender Bedeutung für die Biodiversität in Ökosystemen und die daran gekoppelten Ökosystemfunktionen (z.B. Primärproduktion, Nährstoffkreislauf). Außerdem beeinflussen sie die Evolution und Populationsdynamiken von Arten. Die Wirkungsweise von trophischen Interaktionen auf diese Prozesse hängt dabei von den Trade-offs ab, denen Räuber und Beute z.B. auf Grund physiologischer Beschränkungen unterliegen. Als Trade-off wird die Kosten-Nutzen-Beziehung zwischen zwei oder mehr funktionellen Eigenschaften eines Organismus bezeichnet, so zum Beispiel das Einhergehen einer höheren Verteidigung gegen Fraß mit einer geringeren Konkurrenzfähigkeit um Ressourcen. Solche Trade-offs zwischen Verteidigung und Konkurrenzfähigkeit ermöglichen die Koexistenz von Beutearten mit verschiedenen Strategien (verteidigt oder konkurrenzfähig), was sich stabilisierend auf die gesamten Dynamiken im Nahrungsnetz auswirken kann. Obwohl die Annahme weit verbreitet ist, dass Trade-offs die Koexistenz von Arten fördern,Trophische Interaktionen sind von entscheidender Bedeutung für die Biodiversität in Ökosystemen und die daran gekoppelten Ökosystemfunktionen (z.B. Primärproduktion, Nährstoffkreislauf). Außerdem beeinflussen sie die Evolution und Populationsdynamiken von Arten. Die Wirkungsweise von trophischen Interaktionen auf diese Prozesse hängt dabei von den Trade-offs ab, denen Räuber und Beute z.B. auf Grund physiologischer Beschränkungen unterliegen. Als Trade-off wird die Kosten-Nutzen-Beziehung zwischen zwei oder mehr funktionellen Eigenschaften eines Organismus bezeichnet, so zum Beispiel das Einhergehen einer höheren Verteidigung gegen Fraß mit einer geringeren Konkurrenzfähigkeit um Ressourcen. Solche Trade-offs zwischen Verteidigung und Konkurrenzfähigkeit ermöglichen die Koexistenz von Beutearten mit verschiedenen Strategien (verteidigt oder konkurrenzfähig), was sich stabilisierend auf die gesamten Dynamiken im Nahrungsnetz auswirken kann. Obwohl die Annahme weit verbreitet ist, dass Trade-offs die Koexistenz von Arten fördern, mangelt es am Verständnis und an empirischen Nachweisen, wie sich die Vielzahl unterschiedlich geformter Trade-offs von Arten verschiedener trophischer Ebenen auf die Biodiversität, die Anpassung von funktionellen Eigenschaften und die Biomassedynamik in Nahrungsnetzen auswirkt. Solch ein Verständnis ist jedoch entscheidend für die Vorhersagen und Managemententscheidungen bezüglich des Erhalts von Biodiversität, die das Anpassungspotential von Artengemeinschaften an zukünftige Veränderung in der Umwelt und damit das Überdauern von Artengemeinschaften langfristig sicherstellt. Die hier vorliegende Dissertation startet mit einer kurzen Einführung in die Rolle von Räuber-Beute-Beziehungen und Trade-offs in Ökosystemen. In einem ersten Schritt, lege ich den Fokus zunächst auf Trade-offs in Beutegemeinschaften zwischen qualitativ verschiedenen Verteidigungsmechanismen (z.B. Tarnung oder Fluchtverhalten) und -kosten, und zeige anhand von einfachen Räuber-Beute Modellen, wie sich diese Mechanismen hinsichtlich ihrer Wirkungsweise auf die Koexistenz und die Populationsdynamiken von Beutearten unterscheiden. Als Zweites konzentriert sich die Dissertation dann auf quantitative Aspekte der Trade-offs. So wird aufgezeigt, wie die Form der Trade-off-Kurve bei verschiedenen Beziehungen zwischen funktionellen Eigenschaften und der Fitness den Ausgang von Konkurrenzprozessen innerhalb von Beutegemeinschaften beeinflusst. Dabei kann es in Abhängigkeit von der Form der Trade-off-Kurve entweder zu Koexistenz von spezialisierten Arten kommen (unverteidigt oder komplett verteidigt) oder aber zur Dominanz einer Art mit mittlerer Verteidigung. Der dritte Schwerpunkt dieser Arbeit liegt dann auf dem Test der Theorie zur Trade-off-Kurve und Koexistenz anhand von Langzeitfelddaten des Phytoplanktons im Bodensee. Es zeigt sich hierbei, dass der gefundene konkave Trade-off zwischen Verteidung und Wachstumsrate in Kombination mit einem sich verändernden Fraßdruck durch das Zooplankton die Anpassung von funktionellen Eigenschaften und den Erhalt von Variation dieser Eigenschaften innerhalb der Phytoplanktongemeinschaft steuert. In einem vierten Schritt, analysiere ich das Zusammenspiel von Trade-offs auf mehreren trophischen Ebenen, basierend auf Phyto- und Zooplanktondaten aus dem Bodensee und einem dafür entwickelten tritrophischen Nahrungsnetzmodell. Die Ergebnisse zeigen, dass die Dynamiken der funktionellen Eigenschaften und Biomassen durch eine Kaskade über die drei trophischen Ebenen hinweg gekoppelt sind, die zu unintuitiven Mustern in den Anpassungen der funktionellen Eigenschaften zwischen den Ebenen führt. In der generellen Diskussion bringe ich \textit{abschließend} die Ideen zur Wirkung von Trade-offs in multitrophischen System in einen breiteren Kontext. Zudem entwickle ich eine generelle graphische Theorie zur Trade-off basierten Koexistenz in Abhängigkeit von der Fitnesslandschaft, diskutiere das mögliche Zusammenspiel von intra- und interspezifischen Trade-offs, und gebe schlussendlich einen Management-orientierten Einblick in die Relevanz der Ergebnisse dieser Dissertation für das Verhalten von Nahrungsnetzen im Zuge des Globalen Wandels unter der Wirkung von Trade-offs.show moreshow less

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Metadaten
Author:Elias EhrlichORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-430631
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-43063
Referee:Ursula GaedkeORCiDGND, Thomas KiørboeORCiDGND, Claus RuefflerORCiD
Advisor:Ursula Gaedke, Lutz Becks
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2019
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2019/04/08
Release Date:2019/06/26
Tag:Koexistenz; Nahrungsnetz; Phytoplankton und Zooplankton; Räuber-Beute Dynamiken; Trade-offs zwischen funktionellen Eigenschaften; Variation in funktionellen Eigenschaften; theoretische Ökologie
coexistence; food web; phytoplankton and zooplankton; predator-prey dynamics; theoretical ecology; trade-offs between functional traits; trait variation
Pagenumber:192
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
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