dc.contributor.advisor | Brose, Ulrich Prof. Dr. | de |
dc.contributor.author | Riede, Jens O. | de |
dc.date.accessioned | 2013-01-30T11:33:51Z | de |
dc.date.available | 2013-01-30T23:51:29Z | de |
dc.date.issued | 2012-03-09 | de |
dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-000D-F1E7-C | de |
dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-3560 | |
dc.description.abstract | Bereits im frühen zwanzigsten Jahrhundert
wurden diverse Gesetze entwickelt, um Stabilität von natürlichen
Nahrungsnetzen zu erklärn. Bis heute konnten aber keine allgemein
gültigen Abhängigkeiten gefunden werden. Das Hauptziel der Ökologie
ist es, den ”Zugrundlegenden Mechanismus” zu verstehen, der
Dynamiken in Nahrungsnetzen beschreibt, um dem globalen
Artensterben entgegenzuwirken. Die hier präsentierten Studien,
untersuchen die generelle Skalierung von Nahrungsnetz- (z.B.
Diversität, Grad der biologischen Verknüpftheit der Arten
[nachstehend: connectance]) und Arten Eigenschaften (z.B.
Körpergröße, Trophische Ebene) und wie diese Eigenschaften
Sekundäres Aussterben in Nahrungsnetzen beeinflussen. Das Rückgrat
dieser Arbeit bildet dabei eine Nahrungsnetz Datenbank, welche
Informationen über Art Interaktionen, Metabolische Typen und Art
Körpermassen enthält. In der Vergangenheit wurde der Zusammenhang
zwischen Diversität und Topologie stark diskutiert. Spezielle die
Hypothese, dass eine konstante Anzahl von Arten Pro Link zu einer
Abnahme der connectance bei einer ansteigenden Artenzahl führt. Die
Alternative zu dieser Hypothese ist die ’constant connectance’
Hypothese. Dabei ist die connectance gleichbleibend mit steigender
Artenzahl. Im Rahmen meiner Doktorarbeit, (Kapitel 2) analysierte
ich den Zusammenhang von Topologischen Eigenschaften in der von mir
zusammengestellten Datenbank. Dabei fand ich heraus, dass
connectance mit zunehmender Artenzahl abnimmt. Darüber hinaus
wurden allgemeine Parameter der Biokomplexität (z.B. Fraktion der
Top, Intermediären und Basal Arten oder der mittlere Trophische
Level) hinsichtlich ihrer Skalierung gegen connectance und
Diversität untersucht. Interessanterweise unterscheidet sich in
machen fällen die Steigung zwischen verschieden Ökosystem Typen.
Viele Arteigenschaften sind abhängig von der Körpermasse (z.B.
Räuber-Beute Interaktionen, Stoffwechsel, Mobilität). Dies macht
Körpermasse zu einem der wichtigsten Arten Attribute. Kapitel 3
beschäftigt sich mit der Verteilung von mittleren
Populationskörpermassen in Artgemeinschaften verschiedener
Ökosysteme.Körpermasse ist dabei meist log–normal (Terrestrische
und Fluss Nahrungsnetze) oder multimodal (See und Marine
Nahrungsnetze) verteilt, zudem zeigen die meisten Netzwerke eine
exponentielle kumulative Gradverteilung (die Gradverteilung
beschreibt die durchschnittliche Anzahl der Links pro Art in einem
Netzwerk). Eine Ausnahme bilden dabei die Flussnahrungsnetze,
welche oft eine einheitliche Gradverteilung zeigen. Zudem steigt
mit der Körpergröße die Verwundbarkeit (Anteil Räuber pro Art) in
70% der untersuchten Netze ab, und die in 80% der Nahrungsnetze
nimmt die Generalität (Anteil Beuten pro Art) zu. Elton’s
Paradigmen zuwendend, analysierte ich die Beziehung von Prädatoren
Masse zu Beute Masse und trophischer Position, sowie die Beziehung
des Verhältnisses von Prädatoren–Beuten Masse [nachstehend:
Massenverhältnis] zur trophischen Position des Prädatoren (Kapitel
4). Im Jahr 1927 fand Elton herraus, dass (i) die mittlere Beute
Masse sich mit der Prädatoren Masse erhöht , (ii) die
Prädatorenmasse zunehmender trophischer Ebene ansteigt, und (iii)
das Massenverhältnis konstant über trophische Ebenen ist. Durch die
Analyse meiner Datenbank, konnte ich die Paradigmen (i) und (ii)
bestätigen. Allerdings, im Einklang mit theoretischen Vorhersagen,
fand ich eine systematische Abnahme der Massenverhältnisse mit der
trophischen Ebene des Prädatores. Dieses Ergebnis zeigt, dass im
Durchschnitt Prädatoren an der Spitze der Nahrungskette bezüglich
ihrer Größe ihren Beuten ähnlicher als Arten näher an der Basis
sind. Nahrungsnetze Stabilität hängt entscheidend vom Artenverlust
ab. In zwei Projekten (Kapitel 5, 6), benutzte ich einen
bioenergetischen Modell-Ansatz, um Artenverlust in 1000
Nischenmodell Nahrungsnetzen (Kapitel 5) und in 30 zufällig
ausgewählten empirischen Nahrungsnetzen (Kapitel 6) zu simulieren.
In der ersten Studie untersuchte ich den Einfluss topologischer–,
Körpergröße correllierter– und dynamischer Eigenschaften, auf die
Stabilität von Modell Nahrungsnetzen. Die Ergebnisse zeigen, dass
Nahrungsnetz Robustheit durch Faktoren aus allen drei Gruppen
beeinflusst wird. Der stärkste Effekt geht dabei vom Verhältnis von
Körpergröße zur Abundanz aus, sowohl die Steigung als auch der
Achsenabschnitt stabilisiert im Modell die Robustheit der
Netzwerke. In der zweiten Studie untersuchte ich in empirischen
Nahrungsnetzen sowohl netzwerkspezifische Eigenschaften (z.B.
Diversität, connectance) als auch artspezifische Eigenschaften (z.B.
Körpermasse, trophischer Level). Interessanterweise reagieren alle
untersuchten Ökosystem Typen (See, Fluss, Meer und Terrestrische
Ökosysteme) auf die gleiche Weise auf Artensterben. Allgemein sind
Nahrungsnetze mit einer hohen Arten Vielfalt und einer geringen
Standardabweichung der Vulnerabilität weniger stark von sekundärem
Aussterben betroffen. Auf der Artenebene fand ich, dass der Verlust
von großen Prädatoren auf hohen trophischen Ebenen das
Aussterberisiko für alle anderen Arten im Ökosystem erhöht. Die
hier vorgestellte Arbeit trägt zum Verständnis der zugrunde
liegenden Mechanismen und Dynamiken zwischen interagierenden Arten
in Ökosysteme bei. Sie zeigt Unterschiede zwischen den Ökosystem
Typen auf. Insgesamt trägt diese Arbeit dazu bei zu verstehen, wie
Energieflüsse zur Stabilität von Nahrungsnetzen beitragen,
topologische Eigenschaften die Interaktionen zwischen Art
Populationen beeinflussen und wie komplexe Artgemeinschaften auf den
Verlust von Arten reagieren. | de |
dc.format.mimetype | application/pdf | de |
dc.language.iso | ger | de |
dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/ | de |
dc.title | Topology and stability of complex foodwebs | de |
dc.type | doctoralThesis | de |
dc.title.translated | Topologie und Stabilität komplexer Nahrungsnetze | de |
dc.contributor.referee | Brose, Ulrich Prof. Dr. | de |
dc.date.examination | 2012-02-17 | de |
dc.subject.dnb | 000 Allgemeines, Wissenschaft | de |
dc.subject.gok | WS 000 Naturschutz und Naturschutzgebiete | de |
dc.subject.gok | Artenschutz | de |
dc.description.abstracteng | Since the early twentieth century,
different general laws have been investigated to understand
mechanisms driving stability in natural ecosystems, but until today
the mechanisms are still generally unexplored. The main goal for
ecology is to understand mechanisms driving food web dynamics, to
counteract the hazard of global species loss. The studies presented
in this thesis investigate the general scaling of different
strucural food web (e.g. diversity, connectance, vulnerabilty) and
species properties (e.g. body mass, trophic level), and how these
properties influence secondary extinctions in food webs. The
backbone of this thesis is a database of food webs , including
information about predator–prey interactions, the metabolic type,
and the species’ body mass. The relationship between diversity and
topology is widely discussed, especially the hypothesis that a
constant number of species per link leads to a decreasing
connectance with increasing number of species. The alternative to
this idea has been the ’constant connectance hypothesis’, where
connectance is constant with increasing number of species. As part
of my thesis (Chapter 2), I analysed the scaling of topological
properties based on my compiled database and found power–law
scaling relationships with diversity and complexity for most
properties. Also, connectance tends to decrease with increasing
number of species. The results illustrate the lack of universal
constants in food web ecology as a function of diversity and
complexity. Furthermore, common measures of bio–complexity (e.g.
the fractions of top, intermediate and basal species, and the
average trophic level) have been reinvestigated, as scale–dependent
on diversity and connectance to. Interestingly, the scale
dependence is partly significantly different between ecosystem
types. A lot of species’ characteristics depend on body mass (eg.
predator–prey interactions, metabolism, mobility) thus nominating
body mass as the most important species attribute. Chapter 3
illustrates the distribution of mean population body masses in
communities for different ecosystem types. The body masses are
often roughly log–normally (terrestrial and stream ecosystems) or
multi–modally (lake and marine ecosystems) distributed, and most
networks exhibit exponential cumulative degree distributions. An
exception are stream networks which most often possess uniform
degree distributions. Furthermore, with increasing body mass
vulnerability decreases in 70% of the food webs and generality
increases in 80% of the food webs. Facing paradigms developed by
Elton, I analysed the relationship of predator mass to prey mass
and trophic level and the relationship between predator–prey
body–mass ratio (hereafter: mass ratio) and trophic level (Chaper
4). In 1927, Elton suggested that (i) the mean prey mass increases
with predator mass, (ii) the predators become larger in size with
increasing trophic level, and (iii) the mass ratio is constant
across trophic levels. After analysing the data base, the result
supports the paradigms (i) and (ii). However, consistant with
theoretical derivations, I found a systematic decrease in mass
ratios with the trophic level of the predator. This result
indicates the general pattern that on average predators at the top
of the food webs are more similar in size to their prey than those
closer to the base. Food–web stability is critically dependent on
species loss. In two subsequent projects (Chapter 5, 6), I applied
a bioenergetic model approach to simulate species loss in a set of
(Chapter 5) 1000 model food webs and (Chapter 6) 30 empirical food
webs randomly chosen from the food web data base . I analysed the
stability of model food webs in respect of effects of topological,
size–based, and dynamical properties. Stabiltiy has been messured
as the number of secondary extinctions after removing one species
from the network. The results show that food–web robustness is
affected by factors from all three groups. However, the most
striking effect was related to the body mass–abundance relationship
which points to the importance of body mass relationships for food
web stability. Additionally to the network–related properties (e.g.
diversity, connectance), I analysed species related properties
(e.g. body mass, trophic level). Overall, ecosystem-types (lake,
stream, marine, and terrestrial ecosystems) react in the same way
to species loss. I found food webs with high diversity and a low
standard deviation of vulnerability were less affected by secondary
extinctions. At the species level, consistent with classical
conservation biology findings, I found that the loss of large–bodied
top predators increases the extinction–risk for all others species
in the ecosystem. The work presented here contributes to the
understanding of underlying mechanisms and dynamics between
interacting species in ecosystems. It illustrates differences
between ecosystem types, where ”streams tend to be different than
other ecosystems”. Overall, the studies show how energy fluxes can
contribute to the stability of natural communities, how topological
properties influence the interplay between animal populations and
how complex communities react to species loss. | de |
dc.contributor.coReferee | Scheu, Stefan Prof. Dr. | de |
dc.subject.topic | Göttingen Centre for Biodiversity and Ecology (GCBE) | de |
dc.subject.ger | Nahrungsnetze | de |
dc.subject.ger | Räuber-Beute interaktionen | de |
dc.subject.ger | Artensterben | de |
dc.subject.ger | Körpermasse | de |
dc.subject.ger | Modellierung | de |
dc.subject.eng | Foodweb | de |
dc.subject.eng | body-mass | de |
dc.subject.eng | predator-prey interactions | de |
dc.subject.eng | species extinctions | de |
dc.subject.eng | modeling | de |
dc.subject.bk | 43.31 Naturschutz | de |
dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-webdoc-3424-4 | de |
dc.identifier.purl | webdoc-3424 | de |
dc.affiliation.institute | Göttinger Zentrum für Biodiversitätsforschung und ökologie (GZBö) | de |
dc.identifier.ppn | 730381250 | de |