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Density dependence is of fundamental importance for population and range dynamics. Density-dependent reproduction of plants arises from competitive and facilitative plant-plant interactions that can be pollination independent or pollination mediated. In small and sparse populations, conspecific density dependence often turns from negative to positive and causes Allee effects. Reproduction may also increase with heterospecific density (community-level Allee effect), but the underlying mechanisms are poorly understood and the consequences for community dynamics can be complex. Allee effects have crucial consequences for the conservation of declining species, but also the dynamics of range edge populations. In invasive species, Allee effects may slow or stop range expansion. Observational studies in natural plant communities cannot distinguish whether reproduction is limited by pollination-mediated interactions among plants or by other neighbourhood effects (e.g. competition for abiotic resources). Even experimental pollen supply cannot distinguish whether variation in reproduction is caused by direct density effects or by plant traits correlated with density. Finally, it is unknown over which spatial scales pollination-mediated interactions occur. To circumvent these problems, we introduce a comprehensive experimental and analytical framework which simultaneously (1) manipulates pollen availability and quality by hand pollination and pollinator exclusion, (2) manipulates neighbourhoods by transplanting target plants, and (3) analyses the effects of con- and heterospecific neighbourhoods on reproduction with spatially explicit trait-based neighbourhood models. Synthesis. By manipulating both pollen availability and target plant locations within neighbourhoods, we can comprehensively analyse spatially explicit density dependence of plant reproduction. This experimental approach enhances our ability to understand the dynamics of sparse populations and of species geographical ranges.
BEEHAVE offers a valuable tool for researchers to design and focus field experiments, for regulators to explore the relative importance of stressors to devise management and policy advice and for beekeepers to understand and predict varroa dynamics and effects of management interventions. We expect that scientists and stakeholders will find a variety of applications for BEEHAVE, stimulating further model development and the possible inclusion of other stressors of potential importance to honeybee colony dynamics.
The causes underlying the increased mortality of honeybee Apis mellifera colonies observed over the past decade remain unclear. Since so far the evidence for monocausal explanations is equivocal, involvement of multiple stressors is generally assumed. We here focus on various aspects of forage availability, which have received less attention than other stressors because it is virtually impossible to explore them empirically. We applied the colony model BEEHAVE, which links within-hive dynamics and foraging, to stylized landscape settings to explore how foraging distance, forage supply, and “forage gaps”, i.e. periods in which honeybees cannot find any nectar and pollen, affect colony resilience and the mechanisms behind. We found that colony extinction was mainly driven by foraging distance, but the timing of forage gaps had strongest effects on time to extinction. Sensitivity to forage gaps of 15 days was highest in June or July even if otherwise forage availability was sufficient to survive. Forage availability affected colonies via cascading effects on queen's egg-laying rate, reduction of new-emerging brood stages developing into adult workers, pollen debt, lack of workforce for nursing, and reduced foraging activity. Forage gaps in July led to reduction in egg-laying and increased mortality of brood stages at a time when the queen's seasonal egg-laying rate is at its maximum, leading to colony failure over time. Our results demonstrate that badly timed forage gaps interacting with poor overall forage supply reduce honeybee colony resilience. Existing regulation mechanisms which in principle enable colonies to cope with varying forage supply in a given landscape and year, such as a reduction in egg-laying, have only a certain capacity. Our results are hypothetical, as they are obtained from simplified landscape settings, but they are consistent with existing empirical knowledge. They offer ample opportunities for testing the predicted effects of forage stress in controlled experiments.
Portal Wissen = Energie
(2020)
Energie hat etwas. Natürlich – so die nüchterne Definition in jedem Schülerlexikon – „die Fähigkeit, mechanische Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht auszustrahlen“. Auf diese Weise begleitet sie uns, oft unerkannt, den lieben langen Tag: Aus dem Bett wuchten, die Heizung aufdrehen, das Licht anmachen, heiß duschen, anziehen, Kaffee kochen, frühstücken – noch bevor wir das Haus verlassen, haben wir reichlich Energie freigesetzt, umgewandelt, zugeführt und getankt. Und dabei haben wir noch nicht einmal selbst gearbeitet, jedenfalls im herkömmlichen Sinn.
Aber Energie ist nicht nur eine physikalische Größe, die aufgrund ihrer Allgegenwart in jeder naturwissenschaftlichen Disziplin – wie Biologie und Chemie, aber auch so ziemlich alle technischen Felder – eine zentrale Rolle spielt. Vielmehr ist sie ebenso nicht wegzudenken, wenn es darum geht, wie wir unsere Welt und unser Wirken in ihr verstehen und beschreiben. Und zwar nicht erst seit heute. Eine Kostprobe gefällig? Der griechische Philosoph Aristoteles war der Erste, der von enérgeia sprach, für ihn eher unphysikalisch eine lebendige „Wirklichkeit und Wirksamkeit“ – das, was das Mögliche real werden lässt. Rund 2100 Jahre später erklärte sie der ungekrönte König der deutschen Literatur Johann Wolfgang von Goethe zum humanistischen Wesenskern: „Was können wir denn unser Eigenes nennen als die Energie, die Kraft, das Wollen!“ Und für seinen Zeitgenossen Wilhelm von Humboldt war „Energie die erste und einzige Tugend des Menschen“. Auch wenn die Physik mit ihrem Aufstieg zur Leitwissenschaft im 19. Jahrhundert auch den Energiebegriff zu dominieren begann, blieb dieser doch in vielen Gebieten zu Hause.
Grund genug für uns, einmal zu schauen, wo es an der Universität Potsdam energetisch zugeht. Wir wurden in verschiedensten Disziplinen fündig: Während die iranische Physikerin Safa Shoaee erforscht, wie sich mit organischen Materialien die Solarzellen der Zukunft herstellen lassen, nimmt der schwedische Umweltwissenschaftler Johan Lilliestam die verschiedenen Dimensionen der Energiewende in den Fokus, um zu klären, wovon ihr Gelingen abhängt. Die Slavistin Susanne Strätling wiederum lässt auf der Suche nach einer komplexen Begriffsgeschichte sämtliche Disziplingrenzen hinter sich und versucht zu ergründen, warum die Energie uns heute mehr denn je elektrisiert. Und dem Physiker Markus Gühr gelingt es, mithilfe von ultrakurzen Lichtblitzen zu untersuchen, wie sich Moleküle unter Lichteinfluss verändern und dabei Energie umwandeln.
Freilich haben wir genug Energie, um neben dem Titelthema auch Einblicke in die Vielfalt der Forschung an der Universität Potsdam zusammenzutragen. So erklärt ein Kognitionswissenschaftler, warum unser Hirn Musik und Sprache gleichermaßen nach ihrem Rhythmus verarbeitet, und ein Materialforscher zeigt, wie Bakterien künftig unter richtiger Anleitung biologisch abbaubares Plastik produzieren. Sozialwissenschaftler untersuchen, ob es der Bundeswehr gelingt, echte Gleichstellung für wirklich alle zu schaffen, während Umweltwissenschaftler eine Methode entwickeln, bei der sich mithilfe von Teilchen aus dem All die Bodenfeuchte messen lässt. Ein Psychologe erforscht den Zusammenhang zwischen Emotionen und Gedächtnis und Bildungswissenschaftler bringen eine Studie zu Hate Speech in Schulen auf den Weg. Außerdem stellen wir mit einer Paläoklimatologin und einer Astrophysikerin zwei der insgesamt zwölf Forschenden des neuen Postdoc-Programms der Universität Potsdam vor. Gin ohne Akohol, Sprachforschung mit Ultraschall, Drohnen im Einsatz der Wissenschaft, Rechtswissenschaft im Dienste der Menschenrechte und vieles mehr finden sich in dieser Ausgabe. Wir haben keine Energien gescheut!
Forage availability has been suggested as one driver of the observed decline in honey bees. However, little is known about the effects of its spatiotemporal variation on colony success. We present a modeling framework for assessing honey bee colony viability in cropping systems. Based on two real farmland structures, we developed a landscape generator to design cropping systems varying in crop species identity, diversity, and relative abundance. The landscape scenarios generated were evaluated using the existing honey bee colony model BEEHAVE, which links foraging to in-hive dynamics. We thereby explored how different cropping systems determine spatiotemporal forage availability and, in turn, honey bee colony viability (e.g., time to extinction, TTE) and resilience (indicated by, e.g., brood mortality). To assess overall colony viability, we developed metrics,P(H)andP(P,)which quantified how much nectar and pollen provided by a cropping system per year was converted into a colony's adult worker population. Both crop species identity and diversity determined the temporal continuity in nectar and pollen supply and thus colony viability. Overall farmland structure and relative crop abundance were less important, but details mattered. For monocultures and for four-crop species systems composed of cereals, oilseed rape, maize, and sunflower,P(H)andP(P)were below the viability threshold. Such cropping systems showed frequent, badly timed, and prolonged forage gaps leading to detrimental cascading effects on life stages and in-hive work force, which critically reduced colony resilience. Four-crop systems composed of rye-grass-dandelion pasture, trefoil-grass pasture, sunflower, and phacelia ensured continuous nectar and pollen supply resulting in TTE > 5 yr, andP(H)(269.5 kg) andP(P)(108 kg) being above viability thresholds for 5 yr. Overall, trefoil-grass pasture, oilseed rape, buckwheat, and phacelia improved the temporal continuity in forage supply and colony's viability. Our results are hypothetical as they are obtained from simplified landscape settings, but they nevertheless match empirical observations, in particular the viability threshold. Our framework can be used to assess the effects of cropping systems on honey bee viability and to develop land-use strategies that help maintain pollination services by avoiding prolonged and badly timed forage gaps.
Portal Transfer
(2023)
Liebe Leserinnen und Leser, kein Nachrichtentag vergeht, an dem nicht die Expertise aus der Wissenschaft gefragt ist: Ob zum russischen Angriffskrieg in der Ukraine, zur UNKlimakonferenz in Ägypten, zur Flutkatastrophe in Pakistan, zum Dürresommer, zur Energiekrise, selbst zur umstrittenen Fußballweltmeisterschaft in Katar standen und stehen Expertinnen und Experten in den Medien Rede und Antwort. Auch aus der Universität Potsdam. Wir haben sie gefragt, wie sie damit umgehen, wie es ihnen gelingt, aus der laufenden Forschung heraus aktuelle Probleme zu bewerten. Und was davon bleibt, wenn das öffentliche Interesse abebbt. Für die Potsdamer Politik- und Verwaltungswissenschaftlerin Sabine Kuhlmann besteht die Kunst darin, „außerhalb der Krise Ideen und Lösungsansätze zu verstetigen und sie tatsächlich in die Praxis umzusetzen“.
In unserem Alumni- und Transfermagazin berichten wir davon, was und wie die Universität Potsdam dazu beiträgt. Wir erzählen, wie Erfindungen zu Innovationen in der Wirtschaft werden und sich Start-ups auf den Weg machen, ihr Produkt selbst zu vermarkten. Das Spektrum reicht von Meeresfrüchten auf Pflanzenbasis bis zu einer App, mit der sich Frühformen der Demenz erkennen lassen. Neben neuen Technologien kommt es aber vor allem darauf an, das an der Universität erzeugte Wissen in die Praxis zu transferieren. Deshalb stellen wir ein Programm zur Bekämpfung von Hassrede in der Schule vor oder auch eine Klettertherapie zur Behandlung von Skoliose. Und wir zeigen, wie eine Studie zur sportlichen Leistungskraft von Kindern helfen kann, den Sportunterricht zu verbessern.
Den größten Teil des an der Universität produzierten Wissens tragen die Studierenden in die Welt, wenn sie nach ihrem Abschluss als Musiklehrerin in einer Schule arbeiten oder als Software-Ingenieur im eigenen Unternehmen, als Geologin nach Seltenen Erden schürfen, als Ökologe ausgelaugte Böden wieder fruchtbar machen oder als Politikerin ein Ministerium leiten. Sie alle kommen in diesem Magazin zu Wort. Oder in unserem neuen Podcast „Listen.UP“, in dem Studierende, Forschende und Alumni von ihren Transferprojekten erzählen. Von der Gründerin Ulrike Böttcher erfährt man dort zum Beispiel, wie sie mit Schnallen, Ösen und Knöpfen aus Bio- Materialien die Modeindustrie in diesem Bereich nachhaltig verändern will. Nachzulesen ist das auch in diesem Heft. Immer dort, wo das „Listen. UP“-Logo erscheint, lohnt es, zusätzlich in den Podcast hineinzuhören.