A computational model of metapopulation dynamics and organism-mediated nutrient flow
Abstract
The aim of this project was to assess, using in-silico experiments, how different life history char-acteristics, such as age at maturity and dispersal ability of individuals, influence the dynamics of a metapopulation. To achieve this, a novel model of a spatially explicit metapopulation, with organ-ism-mediated nutrient flow between fragmented habitat patches, was implemented by means of computer simulations. The habitat is a two-dimensional grid plane. Each grid cell is a patch that can hold a population and nutrients. Nutrient flow is exclusively dependent on the migration of individuals between patches. The species is hermaphroditic and facultatively self-fertilising. Each individual requires two resources, nutrients and energy, for growth, migration, survival and repro-duction. In the model, nutrients are acquired from the habitat, and they are, in part, used to produce energy. Time is modelled in discrete steps corresponding to the age of individuals. Within individual patches, the model assumes nutrients to be homogeneous, and mating to be random. Generations are overlapping. Unlike most population dynamics models, the carrying capacity and intrinsic growth rate are not explicitly defined in the current model. Instead, they are emergent model properties, influenced jointly by multiple model parameters. We assessed the model out-comes for different values of two parameters, namely, age at sexual maturity and the probability of migrating to a neighbouring patch. Initially, nutrients were distributed homogeneously across all patches, while only the four central patches were populated. We found complex metapopulation dynamics with local extinctions and recolonisations, wherein population size grew in a logistic fashion during recolonisation. A higher maturity age tended to result in a higher initial growth rate and higher carrying capacity, whereas a higher probability of migration tended to result in a higher initial growth rate and lower carrying capacity.
Degree
Student essay
Other description
Detta projekts syfte var att via in-silico-experiment bedöma hur olika artspecifika life-history-characteristics, det vill säga karakteristika såsom individernas minimiålder för reproduktion, samt deras förmåga att förflytta sig, påverkar dynamiken hos en metapopulation. För att uppnå detta syfte implementerade vi en ny modell av en spatialt explicit metapopulation, med organismdrivet näringsflöde mellan delar av ett fragmenterat habitat. Modellen implementerades genom datorsimuleringar. Habitatet är ett tvådimensionellt rutnät, där varje ruta kan hålla en population och näring. Näringsflödet mellan rutorna är helt beroende av individernas förflyttning. Arten är hermafroditisk och fakultativt självbefruktande. Var individ behöver två resurser, näringsämnen och energi, för tillväxt, förflyttning mellan rutor, överlevnad och fortplantning. I modellen upptar individerna näring från habitatet, vilket de sedan använder för tillväxt, reproduktion och produktionen av energi. I modellen simuleras tid i diskreta steg motsvarande individens ålder. Inom enskilda rutor antas det att näringsämnena är homogent fördelade, att parning sker slumpmässigt. Generationerna är överlappande. I kontrast till många andra modeller av populationsdynamik är varken carrying capacity, d.v.s. den övre gränsen för antalet individer som kan samexistera i habitatet, och intrinsic growth rate, d.v.s. den maximala populationstillväxten per capita, inte explicit definierade i vår modell. De är emergenta egenskaper som uppstår genom interaktionen mellan andra modellparametrar. Vi undersökte utfallen från ett antal värden hos två modellparametrar, minimiåldern för reproduktion och sannolikheten att en individ förflyttar sig till en angränsande ruta. I början av varje experiment fördelades näringsämnen homogent över alla rutor, medan individer endast placerades i de fyra rutorna i habitatets mitt. Vi observerade en komplex metapopulationsdynamik med lokala utdöenden och återkoloniseringar, med logistisk populationstillväxt. En högre reproduktionsålder resulterade i en snabbare populationstillväxt, samt en högre carrying capacity, medan en högre förflyttningssannolikhet resulterade i en populationstillväxt men en lägre carrying capacity.
Date
2023-08-07Author
Hansson, Amanda
Keywords
computational model, population dynamics, metapopulation dynamics, nutrient flow, simulation, spatially explicit, individual-based
Language
eng