Projekt

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A theory for next-generation food web data

Titel Englisch A theory for next-generation food web data
Gesuchsteller/in Melian Carlos
Nummer 144162
Förderungsinstrument Projektförderung (Abt. I-III)
Forschungseinrichtung Eawag
Hochschule Eidg. Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung und Gewässerschutz - EAWAG
Hauptdisziplin Oekologie
Beginn/Ende 01.09.2013 - 31.01.2017
Bewilligter Betrag 161'016.00
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Keywords (6)

Individual-based modelling; Neutral theory; Individual-based data ; Sampling theory; Food webs; Learning behavior

Lay Summary (Deutsch)

Lead
Ziel - Ziel dieses Antrags ist es Individuen-basierte Daten mit einer neuartigen Theorie über stochastischen Nahrungsketten zu kombinieren. Dadurch erhoffen wir uns ein verbessertes Verständnis der Mechanismen, welche die Variabilität in der Beutezusammensetzung zwischen Individuen innerhalb der gleichen Art antreiben, sowie der daraus resultierenden Effekte auf die Biodiversität in multitrophischen Ökosystemen.
Lay summary

Hintergrund – Ein Großteil empirischer Daten zeigt, dass Individuen natürlicher Populationen oft eine hohe Variabilität in der Ressourcennutzung aufweisen. So wurde kürzlich basierend auf empirischen Daten gezeigt, dass die Koexistenz von Arten eher durch höhere Varianz in der Ressourcennutzung innerhalb einer Art als zwischen den Arten abhängt, was frühere theoretische Ergebnisse bestätigt. Bisher wurden diese theoretischen Ergebnisse unter Berücksichtigung intraspezifischer Varianz allerdings nur im Kontext einer einzigen ökologischen Lebensgemeinschaft entwickelt . Tests zur Verwendbarkeit dieser Ansätze um die Diversität multitrophischer Ökosysteme zu verstehen fehlen jedoch bislang.

Zum Einen kann eine höhere intraspezifische als interspezifische Variation der Ressourcennutzung die Koexistenz innerhalb einer ökologischen Lebensgemeinschaft fördern, zum Anderen kann eine Generealisierung dieser Annahme irreführend sein, da bei mehreren interagierenden ökologischen Lebensgemeinschaften die Individuum-spezifische Auswahl von Beute aus der Gesamtheit aller Nahrungsressourcen mit verschiedenen Dichten dazu führen kann, dass einzelne Arten im Nahrungsnetz aussterben.

Folglich kann die Individuum-spezifische Prädation von entweder wenigen oder vielen verschiedenen Nahrungsressourcen die Biodiversität positiv oder negativ beeinflussen, da dadurch vorzugsweise auf häufige oder seltene Ressourcen selektioniert wird. Eine Zusammenführung von Theorien über mechanistische Nahrungsketten mit Daten über Individuum-basierte Variabilität in ökologischen Interaktionen kann daher helfen zu verstehen, wie Individuum-spezifische Prädation auf mögliche Nahrungsressourcen die Biodiversität von multitrophischen Ökosystemen beeinflusst.

Forschungsplan – Ich beabsichtige ein generelles Model zu erarbeiten, in dem stochastische, Individuen-basierte Nahrungsnetzmodelle genutzt werden um die Mechanismen, welche die intraspezifische Variation beeinflussen, mit Biodiversitätsmustern in multitrophischen Ökosystemen zu verbinden. In einem ersten Schritt wird das Lernverhalten und die Stärke der Beute-Auswahlmechanismen gegen verschiedene Individuum-spezifische Nahrungsnetzmodelle getestet. Das Ziel ist es, die Hauptmechanismen zu finden, die eine nicht-zufällige intraspezifische Variation in der Beuteauswahl generieren und deren verschieden schwachen oder starken Auswirkungen auf multitrophische Ökosysteme festzustellen. Im zweiten Teil soll daraus eine generelle Theorie entstehen, wobei verschiedene zusätzliche Merkmale einbezogen werden, die im Kontext verschiedener Arten von Interaktionen stehen. Schlussendlich testen wir die Theorie, indem wir ihre Voraussagen bezüglich intraspezifischer Variation und der Stärke der Ressourcenauswahl auf verschiedene empirische Datensätze anwenden, die von mutualistischen zu antagonistischen Nahrungsnetzwerken reichen.

Wissenschaftliche Bedeutung und mögliche Ergebnisse –

Drei Punkte machen diesen Antrag besonders vielversprechend um bedeutsame, wissenschaftliche Resultate hervorzubringen: Erstens, werden außerordentlich detaillierte Daten über Individuum-spezifische Nahrungsnetze mit neuen stochastischen Individuum-basierten Modellen kombiniert. Zweitens, wird die Kombination von empirischen Daten und theoretischen Modellen helfen die Mechanismen, die intraspezifische Varianz in der Ressourcenauswahl generieren, aufzudecken, und deren Einfluss auf die Biodiversität in natürlichen und gestörten multitrophischen Ökosystemen mit einem breiten Spektrum von Taxa zu verstehen. Schließlich, wird die Zusammenführung von empirischen Daten und theoretischen Modellen helfen Grundlagenwissen, Datenerhebungen und Experimente zu kombinieren und in einen prüfbaren Zusammenhang zu bringen.

Die Entwicklung einer stochastischen Kontext-abhängigen Theorie basierend auf Individuum-spezifischen Nahrungsnetzwerken eröffnet neue Möglichkeiten der Zusammenarbeit zwischen Empiristen und Theoretikern mit dem Ziel, die Auswirkungen der in der Natur beobachteten Variabilität in Individuum-spezifischen Nahrungsnetzwerken und deren Einfluss auf die empirische Datenerhebung und die Biodiversität von multi-trophischen Ökosystemen zu verstehen.

Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 26.08.2013

Lay Summary (Englisch)

Lead
Aim - The purpose of this proposal is to combine individual-based data with a novel stochastic food web theory to improve our understanding of the mechanisms that drive variability among individuals within the same species in prey selection and their effect on biodiversity in multi-trophic ecosystems.
Lay summary
Aim - The purpose of this proposal is to combine individual-based data with a novel stochastic food web theory to improve our understanding of the mechanisms that drive variability among individuals within the same species in prey selection and their effect on biodiversity in multi-trophic ecosystems.

Background – Most empirical data show evidence of a large variability in resource use among individuals in natural populations. These data has recently shown coexistence driven by higher intraspecific than interspecific variation in resource use, thus confirming previous theoretical results. However, theoretical results taking into account intraspecific variance were developed in the context of a single ecological community and its usefulness to understand diversity in multi-trophic ecosystems has yet to be confirmed. For example, a higher intraspecific than interspecific variation in resource use can enable coexistence within
an ecological community, but this pattern can me misleading for two or more interacting communities because individual variation in prey selection across prey with different abundance can lead to species extinctions in food webs. Thus predators consuming many or just a few prey can increase or decrease diversity by preferentially selecting common or rare prey. Connecting a mechanistic food web theory with individual-level variability in ecological interactions can help us to identify the strength in prey selection by individual predators and its effect
on biodiversity in multi-trophic ecosystems.

Research plan – I propose a general framework using stochastic individual-based food web models to connect the mechanisms that drive intraspecific variability with biodiversity patters in multi-trophic ecosystems. In the first stage we will test learning behavior and the the strength of prey selection mechanisms against a collection of individual based food webs. We aim to detect the main mechanisms that generate non-random intraspecific variation in prey selection and whether its effects are weak or strong on biodiversity in multi-trophic ecosystems. In the second stage we propose to generalize the theory by adding several traits in the context of multiple types of interactions. In the last stage we will test the theory using its predictions in intraspecific variation and the
strength of resource selection using a variety of datasets ranging from antagonistic to mutualistic networks.

Impact and potential results – There are three features that make this proposal a candidate to produce high impact results. First, it will combine the analysis of high-resolution individual-based food web data and novel stochastic individual-
based models. Second it will help to detect the mechanisms that generate intraspecific variance in prey selection and its effects on diversity in natural and disturbed multi-trophic ecosystems across a broad range of taxa. Finally, it will help to connect basic research, sampling methods and experiments in a testable framework. The development of a stochastic context-dependent theory of individual-based food webs would trigger a feedback between experimentalists and theoreticians with the aim to understand the consequences of the variability observed in individual-based food webs and its implications for sampling effort and biodiversity in multi-trophic ecosystems.
Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 26.08.2013

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Publikationen

Publikation
Condition-dependent movement and dispersal in experimental metacommunities
(2015), Condition-dependent movement and dispersal in experimental metacommunities, in Ecology Letters, 18(9), 954-963.
Dispersal Dynamics in Food Webs
(2015), Dispersal Dynamics in Food Webs, in American Naturalist, 185(2), 157-168.
Diversification and biodiversity dynamics of hot and cold spots
(2015), Diversification and biodiversity dynamics of hot and cold spots, in Ecography, 38(4), 393-401.
Multi-event capture-recapture analysis reveals individual foraging specialization in a generalist species
(2015), Multi-event capture-recapture analysis reveals individual foraging specialization in a generalist species, in Ecology, 96(6), 1650-1660.
Individual Trait Variation and Diversity in Food Webs
(2014), Individual Trait Variation and Diversity in Food Webs, in Advances in Ecological Research, 50, 207-241.

Zusammenarbeit

Gruppe / Person Land
Formen der Zusammenarbeit
Richard Williams Vereinigte Staaten von Amerika (Nordamerika)
- Publikation
Ole Seehausen Schweiz (Europa)
- Publikation
Stefano Allesina Vereinigte Staaten von Amerika (Nordamerika)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten

Wissenschaftliche Veranstaltungen

Aktiver Beitrag

Titel Art des Beitrags Titel des Artikels oder Beitrages Datum Ort Beteiligte Personen
Ecological Networks in a spatial context: beyond local analyses of species interactions Vortrag im Rahmen einer Tagung Interdependent Networks in Ecology and Evolution 10.09.2015 Fribourg, Schweiz Melian Carlos;
Mathematical Models in Ecology and Evolution Vortrag im Rahmen einer Tagung Eco-evolutionary diversification dynamics 08.07.2015 Paris, Frankreich Melian Carlos;
Ecological Complexity and Biodiversity Maintenance: A Community Network Approach Vortrag im Rahmen einer Tagung Eco-evolutionary diversification dynamics: from dreams to models 11.03.2015 Muenster, Deutschland Melian Carlos;
Simulating the ecology and evolution of ecological interactions Vortrag im Rahmen einer Tagung Radiations and diversification in biological networks 26.01.2015 Almeria, Spanien Melian Carlos;
Dispersal evolution in a community context Vortrag im Rahmen einer Tagung Do organisms dream with neutral landscapes? 22.09.2014 University of Würzburg, Rauhenebrach., Deutschland Melian Carlos;
Non-adaptive selection: explaining the macroscopic laws in ecology and evolution Vortrag im Rahmen einer Tagung Diversification and biodiversity dynamics of hot and cold spots 07.07.2014 Lausanne, Schweiz Melian Carlos;
Aboveground-Belowground Network Workshop Vortrag im Rahmen einer Tagung Intraspecific Trait Variation and Diversity in Food Webs 10.02.2014 Jena, Deutschland Melian Carlos;
Graph Synthesis workshop Vortrag im Rahmen einer Tagung Eco-evolutionary spatial dynamics on mating graphs 03.02.2014 University of Rennes, Frankreich Melian Carlos;
INOMEP/PRONEX meeting, Institute of Biology Vortrag im Rahmen einer Tagung Thinking big in science or is it possible to build testable and predictive models to connect diversification processes across biological levels and spatial scales? 25.11.2013 Salvador, Bahia, Brasilien Melian Carlos;
Workshop INOMEP/PRONEX Vortrag im Rahmen einer Tagung A self-organized individual based predation and migration model to access aspects of the resilience of ecosystems 25.11.2013 Salvador, Bahia, Brasilien de Santana Charles N;


Abstract

Aim -- The purpose of this proposal is to combinehigh-resolution individual-based data with a novel stochastic food webtheory to improve our understanding of the mechanisms that driveintraspecific variance in prey selection and their effect on biodiversity in multi-trophic ecosystems.Background -- From the beginning of biodiversity theories incommunity ecology both interspecific and intraspecific variance havetheoretically been important. Empirical evidence using long timeseries has recently shown coexistence driven by higher intraspecificthan interspecific variation in resource use, thus confirming previoustheoretical results. However, theoretical results taking into accountintraspecific variance were developed in the context of a singleecological community and its usefulness to food web theory has yet tobe confirmed. For example, a higher intraspecific than interspecificvariation in resource use can enable coexistence within an ecologicalcommunity, but this pattern can me misleading for two or moreinteracting communities because individual variation in prey selectionacross prey with different abundance can lead to species extinctionsin food webs. Thus predators consuming many or just a few prey canincrease or decrease diversity by preferentially selecting common orrare prey. Connecting a mechanistic food web theory withindividual-level variability in ecological interactions can help us toidentify the strength in prey selection by individual predators and its effect on biodiversity in multi-trophic ecosystems.Research plan -- I propose a general framework using stochasticindividual-based food web models to connect the mechanisms that driveintraspecific variability with biodiversity patters in multi-trophicecosystems. In the first stage we will test learning behavior and thethe strength of prey selection mechanisms against a collection ofindividual based food webs. We aim to detect the main mechanisms thatgenerate non-random intraspecific variation in prey selection andwhether its effects are weak or strong on biodiversity inmulti-trophic ecosystems. In the second stage we propose to generalizethe theory by adding several traits in the context of multiple typesof interactions. In the last stage we will test the theory using itspredictions in intraspecific variation and the strength of resource selection using a variety of datasets ranging from antagonistic to mutualistic networks.Impact -- There are three features that make this proposal acandidate to produce high impact results. First, it will combine theanalysis of high-resolution individual-based food web data and novelstochastic individual-based models. Second it will help to detect themechanisms that generate intraspecific variance in prey selection andits effects on diversity in natural and disturbed multi-trophicecosystems. Finally, it will help to connect basic research, samplingmethods and experiments in a testable framework. The development of astochastic context-dependent theory of individual-based food webswould trigger a feedback between experimentalists and theoreticianswith the aim to understand the consequences of the variabilityobserved in individual-based food webs and its implications forsampling effort and biodiversity in multi-trophic ecosystems.
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