Detailansicht
The influence of fluctuating population densities on evolutionary dynamics
Hanja Pisa
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Mathematik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Mathematik
Betreuer*in
Joachim Hermisson
Mitbetreuer*in
Jitka Polechová
DOI
10.25365/thesis.53997
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-24287.04400.907952-2
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Schwankungen in Populationsdichten können einen großen Einfluss auf evolutionäre Dynamiken haben. Wir modellieren ein Habitat, das aus zwei Nischen besteht, die durch einen Trade-Off in Fitness gekennzeichnet und durch Migration miteinander verbunden sind. In diesem Kontext führen fluktuierende Populationsdichten einer Nische auf lange Sicht zu einer Abnahme jener Individuen, die besser an diese Nische angepasst sind. In Generationen, wo die Größe der lokalen Population gering ist, werden Individuen diesen Typs von der Migration aus der zweiten, stabileren Nische überschwemmt. Um die genetische Vielfalt zu erhalten, kann Stabilität in Populationsgrößen also genauso wichtig sein wie der Selektionsvorteil in einer Nische: Lokal schlecht angepasste Individuen können von ökologischen Schwankungen profitieren, wenn ihnen ein stabiler Rückzugsort zur Verfügung steht.
Zu Beginn analysieren wir, wie sich Populationsdynamiken, die aufgrund von über-kompensierendem, dichteabhängigen Wachstum Fluktuationen aufweisen, auf das evolutionäre Gleichgewicht des Systems auswirken. Evolutionäre Vorhersagen, die in Abwesenheit von ökologischen Prozessen gemacht werden, bleiben unter Inkludierung von Populationsdynamiken korrekt, wenn diese zu konstanten Populationsdichten führen - nicht aber wenn Schwankungen auftreten. In einem Modell mit dichteabhängiger Populationsregulation und symmetrischer Migration führt eine hohe Wachstumsrate in der ersten Nische, die damit Fluktuationen aufweist, auf lange Sicht zu einer insgesamt niedrigeren Häufigkeit des Typs, der besser an diese Nische angepasst ist. Dieses Phänomen ist stärker, je schwächer die Selektion in dieser Nische ist - sogar wenn die Selektionsnachteile (trade-off) in den Nischen symmetrisch sind. Der Einfluss ökologischer Dynamiken auf die Evolution ist also stärker, je schwächer (langsamer) Evolution ist.
Die meisten dieser Ergebnisse behalten ihre Gültigkeit, wenn Migration nur einseitig in die Nische, die Fluktuationen aufweist, stattfindet. Im Vergleich zu symmetrischen Migrationsraten konvergiert die Proportion des lokal angepassten Typs hier schlicht zu niedrigeren Werten, da die Immigration monomorph ist. Die durch Fluktuationen bedingte Abnahme seiner Häufigkeit ist weiterhin beobachtbar und hat eine ähnliche Form wie zuvor (solange die Wachstumsrate der betrachteten Nische nicht gegen Null geht).
Darüber hinaus geben vereinfachte Populationsdynamiken mit festgesetzten Schwankungen weitere Einblicke in die evolutionären Entwicklungen, ohne diese qualitativ zu verändern. Zunächst analysieren wir im Fall von symmetrischer Migration das Gleichgewicht zwischen evolutionären Einflüssen (Selektion) und ökologischen Einflüssen (Stärke der Schwankungen) auf das evolutionäre Gleichgewicht. Die Fluktuationen in der ersten Nische haben auf den lokal gut angepassten Typ ähnliche Auswirkungen wie dessen habitatweiter Selektionsnachteil: beide führen auf lange Sicht zu einer Abnahme seiner Häufigkeit. Das bedeutet, dass Schwankungen in der Populationsdichte einer Nische habitatweiten, selektiven Asymmetrien entgegenwirken, wann immer diese den lokal am besten angepassten Typ bevorzugen, wohingegen sie Asymmetrien verstärken, wann immer diese insgesamt den lokal schlechter angepassten Typ begünstigen.
Schließlich betrachten wir ein Kontinent-Insel-Modell mit festgesetzten Fluktuationen auf der Insel, und erhalten einfache, explizite Bedingungen für den Erhalt von Polymorphismus auf der Insel. Der lokale Selektionsnachteil des immigrierenden Typs muss stark genug sein, um eine Überschwemmung der Insel durch die Immigration zu verhindern. Wenn das gegeben ist, so wird Koexistenz möglich, hängt aber von der Größe der Populationsschwankungen auf der Insel ab. Die kritische relative Fluktuationsgröße, die zu einem Aussterben des ortsansässigen Typs führt, ist eine zunehmende Funktion der Selektion (gegen die lokal schlechter angepassten immigrierenden Individuen), und eine abnehmende Funktion der Immigrationsrate.
Abstract
(Englisch)
In nature, environments vary in their productivity and stability, and there may be a strong negative correlation between the two due to delayed population regulation, called "overcompensating density-dependence". We assume that the quality of the habitat varies across space, where a differing inherent productivity within each niche determines the attainable intrinsic rate of increase of the local population. Focusing on the question of maintenance of diversity, we illustrate the effects of such spatial variability on coexistence using a simple model: we consider two discrete types inhabiting two demes coupled by migration, and a trade-off in the adaption to the two different demes. In this context, we show that fluctuations, which naturally arise due to endogenous population dynamics with high intrinsic rate of increase, can have a strong influence on the maintenance of diversity in the system. Comparing to the classic conditions for the maintenance of variation in the absence of population dynamics, the richer, less stable environment can get more easily swamped by a species (genotype) which is locally maladapted and that flows in from the more stable environment. Stability in population size can therefore be just as important as the selective advantage within a niche, as locally maladapted types may benefit from fluctuations if they have a stable reservoir available. We explain the conditions for maintenance of diversity (polymorphism) in terms of the relative strength of selection, migration between the habitats, and the extent of fluctuations. Numerical solutions to the full system are complemented by stability analysis and explicit analytic formulas for a simplified model with imposed fluctuations.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Eco-evolutionary dynamics migration fluctuating environment evolution structured populations overcompensating density-dependence migration-selection balance Ricker model
Schlagwörter
(Deutsch)
Öko-evolutionäre Dynamiken Ökologie Evolution Migration Schwankungen der Umgebung strukturierte Populationen überkompensierendes dichteabhängiges Wachstum Migrations-Selektions-Gleichgewicht Ricker-Modell
Autor*innen
Hanja Pisa
Haupttitel (Englisch)
The influence of fluctuating population densities on evolutionary dynamics
Paralleltitel (Deutsch)
Auswirkungen von Schwankungen in Populationsdichten auf evolutionäre Dynamiken
Publikationsjahr
2018
Umfangsangabe
62 Seiten : Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Joachim Hermisson
AC Nummer
AC15425202
Utheses ID
47707
Studienkennzahl
UA | 066 | 821 | |