Interactions in the evolution of dispersal distance and emigration probability

• Main Author: Gros, Andreas
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2008
• Subjects: Theoretische Ökologie; Ausbreitung; Evolution; Evolutionsstabile Strategie; ddc:570
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/2597; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-29226; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-29226; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/2597/dissertation.pdf

Chapter 1 - Evolution of local adaptations in dispersal strategies The optimal probability and distance of dispersal largely depend on the risk to end up in unsuitable habitat. This risk is highest close to the habitat’s edge and consequently, optimal dispersal probability and distance should decline towards the habitat’s border. This selection should lead to the emergence of spatial gradients in dispersal strategies. However, gene flow caused by dispersal itself is counteracting local adaptation. Using an individual based model I investigate the evolution of local adaptations of dispersal probability and distance within a single, circular, habitat patch. I compare evolved dispersal probabilities and distances for six different dispersal kernels (two negative exponential kernels, two skewed kernels, nearest neighbour dispersal and global dispersal) in patches of different size. For all kernels a positive correlation between patch size and dispersal probability emerges. However, a minimum patch size is necessary to allow for local adaptation of dispersal strategies within patches. Beyond this minimum patch area the difference in mean dispersal distance between center and edge increases linearly with patch radius, but the intensity of local adaptation depends on the dispersal kernel. Except for global and nearest neighbour dispersal, the evolved spatial pattern are qualitatively similar for both, mean dispersal probability and distance. I conclude, that inspite of the gene-flow originating from dispersal local adaptation of dispersal strategies is possible if a habitat is of sufficient size. This presumably holds for any realistic type of dispersal kernel. Chapter 2 - How dispersal propensity and distance depend on the capability to assess population density We analyze the simultaneous evolution of emigration probability and dispersal distance for species with different abilities to assess habitat quality (population density) and which suffer from distance dependent dispersal costs. Using an individual-based model I simulate dispersal as a multistep (patch to patch) process in a world consisting of habitat patches surrounded by lethal matrix. Our simulations show that natal dispersal is strongly driven by kin-competition but that consecutive dispersal steps are mostly determined by the chance to immigrate into patches with lower population density. Consequently, individuals following an informed strategy where emigration probability depends on local population density disperse over larger distances than individuals performing density-independent emigration; this especially holds when variation in environmental conditions is spatially correlated. However, already moderate distance-dependent dispersal costs prevent the evolution of long-distance dispersal irrespectively of the chosen dispersal strategy. Chapter 3 - Evolution of sex-biased dispersal: the role of sex-specific dispersal costs, demographic stochasticity, and inbreeding Inbreeding avoidance and asymmetric competition over resources have both been identified as factors favouring the evolution of sex- biased dispersal. It has also been recognized that sex-specific costs of dispersal would promote selection for sexspecific dispersal, but there is little quantitative information on this aspect. In this paper I explore (i) the quantitative relationship between cost-asymmetry and a bias in dispersal, (ii) the influence of demographic stochasticity on this effect, and (iii) how inbreeding and cost-asymmetry interact in their effect on sex-specific dispersal. I adjust an existing analytical model to account for sex-specific costs of dispersal. Based on numerical calculations I predict a severe bias in dispersal already for small differences in dispersal costs. I corroborate these predictions in individualbased simulations, but show that demographic stochasticity generally leads to more balanced dispersal. In combination with inbreeding, cost asymmetries will usually determine which of the two sexes becomes the more dispersive. Chapter 4 - Evolution of sex-biased dispersal: the role of sex-specific dispersal costs, demographic stochasticity, and inbreeding Inbreeding depression, asymmetries in costs or benefits, and the mating system have been identified as potential factors underlying the evolution of sex-biased dispersal. We use individual-based simulations to explore how the mating system and demographic stochasticity influence the evolution of sex-specific dispersal in a metapopulation with females competing over breeding sites, and males over mating opportunities. Comparison of simulation results for random mating with those for a harem system (locally, a single male sires all offspring) reveal that even extreme variance in local male reproductive success (extreme male competition) does not induce a male bias in dispersal. The latter evolves if between-patch variance in reproductive success is larger for males than females. This can emerge due to demographic stochasticity if habitat patches are small. More generally, members of a group of individuals experiencing higher spatio-temporal variance in fitness expectations may evolve to disperse with greater probability than others. === Die optimale Dispersal- oder Ausbreitungsstrategie (eine Kombination aus Auswanderwahrscheinlichkeit und Ausbreitungsdistanz) hängt hauptsächlich von dem Risiko ab, in einem für Reproduktion ungeeigneten Habitat zu enden. Dieses Risiko ist am Rand eines Habitats am höchsten, und daher sollten die evolvierenden Ausbreitungsdistanzen und Auswanderwahrscheinlichkeiten zum Rand des Habitats hin abnehmen. Dieser Selektionsdruck sollte zu räumlichen Gradienten in Ausbreitungsstrategien führen. Der Genfluss, der durch Dispersal verursacht wird, wirkt jedoch lokaler Anpassung der Ausbreitungsstrategie an die jeweilige Umgebung entgegen. Mit einem individuenbasierten Modell untersuchen wir die Evolution lokaler Anpassungen von Ausbreitungsstrategien innerhalb eines einzelnen, kreisförmigen Habitats. Ich vergleiche die evolvierenden Auswanderwahrscheinlichkeiten und -distanzen von sechs verschiedenen Ausbreitungsfunktionen (sog. Kernels, welche die Kombination aus Auswanderwahrscheinlichkeit und Ausbreitungsdistanz abbilden: zwei negativ-exponentielle Kernels, zwei schiefe Kernels, ein Kernel, der Ausbreitung nur in die unmittelbare Nachbarschaft der Mutterpflanze erlaubt (nearest-neighbor dispersal), und ein Kernel, der darin besteht, einen zufälligen Zielort auszuwählen (global dispersal)). Die Evolution der Form der Kernels untersuchen wir in Habitatinseln unterschiedlicher Größe. Ich konnte zeigen, dass eine minimale Habitatgröße nötig ist, um lokale Anpassungen der Ausbreitungsstrategien zu ermöglichen. In Habitatinseln, die diese minimale Größe überschreiten, nimmt die Differenz der Ausbreitungsdistanz zwischen Mitte und Rand des Habitats linear zu, wobei jedoch der Betrag der Differenz vom Kernel abhängt. Mit Ausnahme der Kernels “global dispersal” und “nearest-neighbor dispersal” gleichen sich die evolvierenden räumlichen Muster qualitativ für Auswanderwahrscheinlichkeit und Ausbreitungsdistanz der Kernels. Ich schließe daraus, dass trotz des Genflusses, der mit Ausbreitung einhergeht, lokale Anpassungen der Ausbreitungsstrategien möglich sind, wenn die Habitatinsel groß genug ist. Dies gilt wahrscheinlich für jede realistische Ausbreitungsfunktion. Kapitel 2 - Wie hängen Auswanderwahrscheinlichkeit und Ausbreitungsdistanz von der Fähigkeit ab, Populationsdichten zu bestimmen? Ich untersuche die gleichzeitige Evolution von Auswanderwahrscheinlichkeit und Ausbreitungsdistanz für Arten, die die Populationsdichte in ihren Habitaten unterschiedlich gut wahrnehmen können. In diesem System werden die Überlebenswahrscheinlichkeiten für Nachkommen von steigender Populationsdichte negativ beeinflusst. Mit einem individuenbasierten Modell simuliere ich Dispersal als einen schrittweisen Prozess, in dem Individuen von einem Habitat zum nächsten dispergieren können, wobei sie in jedem dieser Schritte mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit sterben. Meine Ergebnisse zeigen, dass die Emigration aus dem Geburtshabitat stark von Verwandtenselektion beeinflusst wird, wohingegen die Tendenz, weitere Dispersalschritte zu unternehmen, zum größten Teil von der Aussicht bestimmt wird, in ein Habitat einzuwandern, das eine geringere Populationsdichte – und damit bessere Bedingungen für das Überleben der Nachkommen – aufweist, als das Geburtshabitat. Hierbei wird deutlich, dass Individuen, die sich abhängig von der lokalen Populationsdichte dazu “entscheiden”, auszuwandern, im Durchschnitt größere Distanzen zurücklegen, als Individuen die unabhängig von der Populationsdichte auswandern. Dies gilt vor allem dann, wenn die Populationsdichten räumlich korreliert sind und damit dicht und weniger dicht besiedelte Habitate geklumpt vorkommen. Jedoch sorgen schon geringe Wahrscheinlichkeiten, während des Dispersal zu sterben, dafür, dass mit keiner Ausbreitungsstrategie Ausbreitungsdistanzen evolvieren, die im Schnitt mehr als zwei Schritte beinhalten. Kapitel 3 - Evolution von geschlechterspezifischen Ausbreitungsstrategien: die Rolle von geschlechtsspezifischer Wandermortalität, demographischer Mortalität und Inzucht-Depression Inzucht-Vermeidung und asymmetrische Ressourcen-Konkurrenz wurden schon als mögliche Auslöser der Evolution von geschlechterspezifischen Ausbreitungsstrate gien identifiziert. Daneben können jedoch auch unterschiedliche Wandermortalitäten die geschlechterspezifischen Ausbreitungsstrategien beeinflussen, insofern als dasjenige Geschlecht mit der höheren Wandermortalität wahrscheinlich philopatrisch wird, das andere hingegen das Dispersal übernimmt. Leider gibt es dazu wenig quantitative Daten. In diesem Kapitel untersuche ich den quantitativen Zusammenhang zwischen der Differenz in Wandermortalität und dem Ungleichgewicht in der Auswanderwahrscheinlichkeit der Geschlechter. Weiterhin untersuche ich den Einfluss von demographischer Stochastizität und wie Inzucht-Depression in Zusammenspiel mit Unterschieden in der Wandermortalität das Ungleichgewicht der Auswanderwahrscheinlichkeit beeinflusst. Dazu habe ich ein existierendes mathematisches Modell so angepasst, dass geschlechtsspezifische Wandermortalitäten betrachtet werden können. Auf dieser numerischen Basis kann ich Unterschiede in der Auswanderwahrscheinlichkeit von Geschlechtern selbst für sehr kleine Differenzen in der Mortalität vorhersagen. Ich bestätige diese Ergebnisse mit individuenbasierten Simulationen und zeige, dass demographische Stochastizität einen ausgleichenden Einfluss auf die Auswanderwahrscheinlichkeiten der beiden Geschlechter hat. Selbst bei gleichzeitig wirkender Inzucht-Depression bestimmen dieMortalitätsunterschiede welches Geschlecht die höhere Auswanderwahrscheinlichkeit entwickelt. Kapitel 4 - Geschlechtsspezifische räumlich-zeitliche Variabilität des reproduktiven Erfolgs fördert die Evolution von geschlechtsspezifischen Ausbreitungsstrategien Inzucht-Depression, asymmetrische Wandermortalität und unterschiedliche Paarungssysteme wurden als mögliche Auslöser für die Evolution von Ausbreitungsstrategien identifiziert, in denen die Auswanderwahrscheinlichkeit eines Geschlechtes die des anderen überwiegt. Wir verwenden individuenbasierte Simulationen, um den Einfluss des Paarungssystems und demographischer Stochastizität auf die Evolution geschlechtsspezifischen Dispersals zu untersuchen. Wir betrachten dabei Meta-Populationen, in denen Weibchen um Brutplätze und Männchen um Paarungen mit erfolgreichen Weibchen konkurrieren. Der Vergleich der Ergebnisse der Paarungssysteme “random-mating” (alle Weibchen wählen zufällig Männchen als Paarungspartner aus) und “harem” (alle Weibchen eines Habitats paaren sich mit demselben Männchen) zeigt, dass ein Unterschied in der Intensität der Konkurrenz um reproduktionsrelevante Ressourcen alleine nicht genügt, um einen Unterschied in den Auswanderwahrscheinlichkeiten der Geschlechter hervorzurufen. Vielmehr kommt es in solchen Fällen zu besagtem Ungleichgewicht, in denen ein Geschlecht eine größere Variabilität der Nachkommenzahl zwischen Habitaten erfährt. Dann evolviert das Geschlecht mit der höheren Varianz der Nachkommenzahl zwischen Habitaten die höhere Auswanderwahrscheinlichkeit.