Refine
Document Type
- Article (2)
- Doctoral Thesis (1)
Is part of the Bibliography
- yes (3) (remove)
Keywords
- Chlorella vulgaris (3) (remove)
Institute
Mixing events in stratified lakes result in microalgae being exposed to varying conditions in light and organic carbon concentrations. Stratified lakes consist of an upper illuminated strata and a lower, darker strata where organic carbon accumulates. Therefore, in this contribution we explore the importance of dissolved organic carbon for growth under various light intensities by measuring some ecophysiological adaptations in two green microalgae. We compared the non-motile Chlorella vulgaris with the flagellated Chlamydomonas acidophila under auto-, mixo-, and heterotrophic growth conditions. In both algae the maximum photosynthetic and growth rates were highest under mixotrophy, and both algae appeared inhibited in their phosphorus acquisition under heterotrophy. Heterotrophic conditions provoked the largest differences as C. vulgaris produced chlorophyll a in darkness and grew as well as in autotrophic conditions, whereas Chl. acidophila bleached and could not grow heterotrophically. Although the fatty acid composition of both phytoplankton species differed, both species reacted in a similar way to changes in their growth conditions, mainly by a decrease of C18:3n-3 and an increase of C18:1n-9 from auto- to heterotrophic conditions. The two contrasting responses within the group of green microalgae suggest that dissolved organic carbon has a high deterministic potential to explain the survival and behaviour of green algae in the deeper strata of lakes.
Complex transient dynamics of stage-structured populations in response to environmental changes
(2013)
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.
Die Natur unterliegt ständigen Veränderungen und befindet sich nur vermeintlich in einem Gleichgewicht. Umweltparameter wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder Sonneneinstrahlung schwanken auf einer Zeitskala von Sekunden bis Jahrmillionen und beinhalten teils beträchtliche Unterschiede. Mit diesen Umweltveränderungen müssen sich Arten als Teil eines Ökosystems auseinandersetzen. Für Ökologen ist interessant, wie sich individuelle Reaktionen auf die Umweltveränderungen im dynamischen Verhalten einer ganzen Population bemerkbar machen und ob deren Verhalten vorhersagbar ist. Der Demografie einer Population kommt hierbei eine entscheidende Rolle zu, da sie das Resultat von Wachstums- und Sterbeprozessen darstellt. Eben jene Prozesse werden von der Umwelt maßgeblich beeinflusst. Doch wie genau beeinflussen Umweltveränderungen das Verhalten ganzer Populationen? Wie sieht das vorübergehende, transiente Verhalten aus? Als Resultat von Umwelteinflüssen bilden sich in Populationen sogenannte Kohorten, hinsichtlich der Zahl an Individuen überproportional stark vertretene Alters- oder Größenklassen. Sterben z.B. aufgrund eines außergewöhnlich harten Winters, die alten und jungen Individuen einer Population, so besteht diese anschließend hauptsächlich aus Individuen mittleren Alters. Sie wurde sozusagen synchronisiert. Eine solche Populationen neigt zu regelmäßigen Schwankungen (Oszillationen) in ihrer Dichte, da die sich abwechselnden Phasen der individuellen Entwicklung und der Reproduktion nun von einem Großteil der Individuen synchron durchschritten werden. D.h., mal wächst die Population und mal nimmt sie entsprechend der Sterblichkeit ab. In Experimenten mit Phytoplankton-Populationen konnte ich zeigen, dass dieses oszillierende Verhalten mit dem in der Physik gebräuchlichen Konzept der Synchronisation beschrieben werden kann. Synchrones Verhalten ist eines der verbreitetsten Phänomene in der Natur und kann z.B. in synchron schwingenden Brücken, als auch bei der Erzeugung von Lasern oder in Form von rhythmischem Applaus auf einem Konzert beobachtet werden. Wie stark die Schwankungen sind, hängt dabei sowohl von der Stärke der Umweltveränderung als auch vom demografischen Zustand der Population vor der Veränderung ab. Zwei Populationen, die sich in verschiedenen Habitaten aufhalten, können zwar gleich stark von einer Umweltveränderung beeinflusst werden. Die Reaktionen im anschließenden Verhalten können jedoch äußerst unterschiedlich ausfallen, wenn sich die Populationen zuvor in stark unterschiedlichen demografischen Zuständen befanden. Darüber hinaus treten bestimmte, für das Verhalten einer Population relevante Mechanismen überhaupt erst in Erscheinung, wenn sich die Umweltbedingungen ändern. So fiel in Experimenten beispielsweise die Populationsdichte um rund 50 Prozent ab nachdem sich die Ressourcenverfügbarkeit verdoppelte. Der Grund für dieses gegenintuitive Verhalten konnte mit der erhöhten Aufnahme von Ressourcen erklärt werden. Damit verbessert eine Algenzelle zwar die eigene Konstitution, jedoch verzögert sich dadurch die auch die Reproduktion und die Populationsdichte nimmt gemäß ihrer Verluste bzw. Sterblichkeit ab. Zwei oder mehr räumlich getrennte Populationen können darüber hinaus durch Umwelteinflüsse synchronisiert werden. Dies wird als Moran-Effekt bezeichnet. Angenommen auf zwei weit voneinander entfernten Inseln lebt jeweils eine Population. Zwischen beiden findet kein Austausch statt – und doch zeigt sich beim Vergleich ihrer Zeitreihen eine große Ähnlichkeit. Das überregionale Klima synchronisiert hierbei die lokalen Umwelteinflüsse. Diese wiederum bestimmen das Verhalten der jeweiligen Population. Der Moran-Effekt besagt nun, dass die Ähnlichkeit zwischen den Populationen jener zwischen den Umwelteinflüssen entspricht, oder geringer ist. Meine Ergebnisse bestätigen dies und zeigen darüber hinaus, dass sich die Populationen sogar ähnlicher sein können als die Umwelteinflüsse, wenn man von unterschiedlich stark schwankenden Einflüssen ausgeht.