Indirect effects affects ecosystem dynamics

Roberto Kraenkel
Roberto Kraenkeluniversity professor/researcher at São Paulo State University (UNESP), Institute for Theoretical Physics (IFT)
Indirect effects affects ecosystem 
dynamics
 The effect of non­lethal effects in planktonic 
 community

 Alessandra Lütz; Garcia Guillerme, Maikol 
 Rodriguez, Thiago Couto, Caio Graciani, 
 Angel Segura
Biodiversity
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           David M. Hillis, Derrick Zwickl, and Robin Gutell, 
           University of Texas. 
Energy flow

Ecosystem functioning
  Energy fluxes
  Trophic models
Energy flow

Being eaten (predation)
Change in prey abundance
and traits
Modify community dynamics
Non Consumable Effects (NCE)
Trait­mediated indirect effects  (TMI)   

Do not imply biomass removal

Trait variation: Phenotipic (size), 
behaviour (diel migration), etc
NCE effects
 Inducible defenses



                      TMI 
Non Consumable Effects (NCE)
Trait­mediated indirect effects  (TMI)
Not new (Science 1971)   
How relevant are NCEs to 
community dynamics?
NCE are relevant for predator 
­prey dynamics
 Small experimental systems
 Relevant (Significative change)
 Planktonic   
Plankton dynamics
Microbial primary producers
Cells or colonies
Hundreds of species 
Carbon sinking

Fast generation time (days)
Easy to handle
Large size range
Indirect effects affects ecosystem dynamics
Plankton dynamics
Toxic blooms
Ecosystems integrity
Biodiversity loss
Human
NCE in plankton
Widely recognized 
Seldomly taken into account
Few models include explicitly it effects

Long term dynamics of this effect 
unexplored
Are NCE effects important for 
community dynamics?
Hipothesis:
Inducible defenses modify community 
dynamics because of changes in biomass 
fluxes mediated by NCE

Objective 
Analyse community dynamics when species 
shown inducible defenses behaviour
Planktonic systems
Lots of information on basic 
physiology
Morphology based functional groups
Nutrient (P limited)
       Group I      Group VII
Planktonic systems
 Lots of information on basic 
 physiology
 Morphology based functional groups
 Nutrient (P limited)
         Group I     Group VII




Kruk et al., 2010
How to ensamble the “system”?
 Predator­ “Daphnia” 
 Limiting resource­ Phosporus
 Competing species
How to ensamble the “system”?
 Predator­ “Daphnia” 
 Limiting resource­ Phosporus
 Competing species
 Explicit competition    Group I       Group
                                       VII




                                   P
How to ensamble the “system”?
 Predator­ “Daphnia” 
 Limiting resource­ Phosporus
 Competing species
 Explicit competition    Group I       Group
                                       VII




                                   P
What if NCE?
 Change for I to VII in the 
 prescence of Daphnia


                           Group I       Group
                                         VII




                                     P
Lets put some maths!
 Change for I to VII in the 
 prescence of Daphnia (m)


                          Group I       Group
                                    m   VII




                                    P
How does system behaves?
 Change for I to VII in the 
 prescence of Daphnia (m)


                          Group I       Group
                                    m   VII




                                    P
Changes in the fixed points

M=0 (Exclusion)           m=0.4 (Coexistence)   Grou       Grou
C or G­>0                    C,G,Z,P > 0        pI     m   p VII




                                                       P
Sustained oscilations
Implications for biodiversity                                          Grou
                                                                       pI     m
                                                                                  Grou
                                                                                  p VII



m=0 (Exclusion G)                                m=0.4 (Coexistence)


                                                                              P
What about nature?
Coexistence­peaks            Grou
                             pI     m
                                        Grou
                                        p VII




                    Grou
                    p VII           P
                      Grou
                      pI
Grou   m   Grou

NCEs are important
                                         pI         p VII




Non trivial effect (Peacor et al 2012)          P
Influence dominance and coexistence

Explored in a mechanistic models based on 
physiological principles (first time)
NCEs are important                   Grou
                                     pI
                                             m   Grou
                                                 p VII


No data to compare with model output

                                         P
Design of experiments for model evaluation 
and biological parameters

Mathemathical tools (topological aspects) 
Group I   m   Group VII




          P
Indirect effects affects ecosystem dynamics
m>0


      Grou   m   Grou
                 p VII
      pI




             P
m=0




      Grou   m   Grou
                 p VII
      pI




             P
Grou
                                    pI
                                           m   Grou
                                               p VII



Similar behaviour
                                           P
Similar patterns in simple and complex model

Similar model beahviour (needs more formal 
analysis)

Other competing groups? More predators?
Indirect effects affects ecosystem dynamics
Indirect effects affects ecosystem dynamics
1 of 37

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