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Biological Sciences Program
BSCI 106
David Inouye

Species Interactions I: Competition 1/28/14 What is evolution? Descent with modification Big Ideas • Each species can exist in a particular range of environmental and biotic circumstances • This range is influenced by the presence of other organisms  • Various outcomes of competition are possible and can be investigated with experiments • Particular outcomes depend on nature of species involved, the environment, and the timescale  being considered  Types of Interactions • Competition: A and B effect each other (­) Antagonistic Interaction • Can regulate population sizes Usually increase in severity with N (population size)  Density dependent Increased N influences b (birth rate) and d (death rate) Therefore influences r observed (how fast the population can grow) Recall logistic growth  Can be… Intraspecific Interaction Individuals within species compete for limiting resources This is what we’ve focused on Golden Tamarin monkeys—set territories in jungle to prevent competition  between species  Interspecific Interaction Individuals of different species compete for limited resources They are typically closely­related Homo neanderthalesnsis vs. Homo sapiens? Niche—an n­dimension description of resources, habitat, and “lifestyle” of a species  “n­dimensional hypervolume” Fundamental niche—niche a species could potentially occupy (in the absence of competition) Realized niche—niche a species actually does occupy with competition Barnacle on the cliff • Predation: A effects B • Parasitism: A effects B • Mutualism: A and B effect each other (+) Essential Questions • What regulates population size? Species number? Distribution of species?  Lecture I continued*** *Clicker Question: What’s the US’s human population? 300 million  What’s the Earth’s human population? 7.1­7.2 billion Interspecific Competition Species that use the same resources can affect each other’s growth, survival and reproduction Exploitation Differential abilities to use or extract the resource Interference One organism directly affects the ability of another organism to obtain resources  Alleopathy—chemicals prevent growth of other unrelated plants  Logistic Population Growth Density dependence—growth rate is a function of population size  Competitive Exclusion Principle Interspecific competition leads to a decrease in each species’ K (potentially to 0) K = carrying capacity  Two species occupying exactly the same niche cannot coexist Will differ in their competitive ability One will eventually exclude the other Competitive exclusion  Outcomes of Interspecific Competition Competitive exclusion—two species with identical niches cannot coexist Coexistence Use of resources (niche) different realized niches Resource partitioning—the mechanism permits coexistence by competitors  Tiobolium vs. Oryzaephilus  Warblers and trees  Heterogeneity of habitat importance (implications for monoculture, forest management, conservation) Biodiversity  Niche Differentiation An evolutionary response to competition Ghost of competition past?  Resource Partitioning in Bumble Bees Bombus appositus—long tongue  Bombus flavifrons—medium tongue  How long these tongues are depends on the type of flower they visit  Summary Competition Intra vs. Inter The Niche Fundamental vs. Realized Types of Competition Exploitation vs. Interference Outcomes of Competition Competitive exclusion Two species of Paramecium  Coexistence What are the mechanisms that permit coexistence by competitors? Resource  partitioning  Niche Differentiation and Character Displacement  Finches on Galapagos Islands  Species Interaction II: Predation  1/30/14 Predation A +/­ interaction in which one organism feeds on another Animals on each other, animals on plants (exploiters of others) Parasitism, parasitoidism Why is Predation Important? Can influence size and distribution of prey Management implications Can influence community organization Species coexistence and stability  Important force of natural selection Can generate co­evolutionary responses  Predators Adaptations of Predators Detection—vision, hearing, electroreception Capture—claws, jaws, webs, venom Procession—jaws, digestive enzymes (ie. venom)  Prey Adaptations of Prey Species Interaction II: Predation  1/30/14 Speed Crypsis, warning coloration Chemicals—distasteful, poisonous, or as venom Satiation, high r max—way to measure how quickly the population can grow Mimicry Protection—shells, spines  Do Predators Control Prey Populations? Yes, but controversial Additive vs. Compensatory Mortality Additive—every individual goes missing. Don’t  naturally die off Compensatory—animals that would have died anyway (ie. Deer) Important management implications (ie. Wolves) Do they affect population sizes of caribou, moose? To what degree? Examples: Introduction of predators—Prickly Pear and Cactus Moths Exclosure experiments—Kangaroos more abundant where dingos have been excluded)  Biological Control Easy, ecologically­sound way to control pests? Worked for Opuntia cactus in Australia Species Interaction II: Predation  1/30/14 However, weevils introduced in USA didn’t have enough host specificity  Cane toads in Australia, Mongoose in Hawaii Lecture II Continued*** Predation in the Lab  Tough to get coexistence in the lab Simple system: Predators tend to eat all the prey (ie. Paramecium, Didinium) With refugia: Predators drive prey to very low abundance, then die out (ie. Paramecium, Didinium) What promotes predator/prey coexistence? If predators are controlling prey populations, several factors may allow long­term coexistence, including: Habitat heterogeneity—Cactus/moth, Mites Refugia—Didinium/Paramecium (potentially) A place to go and hide. Like paramecium in a test tube, there is no place to hide  but if there is mud, there is a higher chance of living Prey switching—Predators switch to other prey when prey abundance is low (Dingo) What, besides predators, could control populations? Predator effect could be minor if: Predator densities are low (ie. Predators have territories that enforce low density) Predators mainly take prey destined to die without reproducing anyone (old, infirm) Species Interaction II: Predation  1/30/14 Harvesting the doomed—limited resources for prey mean most will die anyway (ie. Muskrats, mink— compensatory mortality) Mink prey on muskrats (major cause on muskrat death) Intra/interspecific competition may be more important than predation—reflection of simple abundance  Population managers will usually consider hunting harvest to be largely compensatory (they would’ve died  anyway)  Top Down or Bottom Up? Do higher trophic levels regulate lower ones? Lower regulating higher ones? Why is the world green?  Why don’t plants get wiped out by herbivores? Prey can defend themselves Plants, herbivores, and carnivores Plants are not passive! Physical defense Spines, fibers, stings Constitutive defenses (always present) Alleopathy  Induced defenses (in response to attack) Talking trees Chemical defense (secondary compounds) Species Interaction II: Predation  1/30/14 Tannins—reduce digestibility of leaf Nicotine, caffeine, opium, strychnine, digitalis—distasteful or poisonous Spices Constitutive or inducible  Defenses impose cost to the plant! At low herbivore abundance, selection reduces the level of defense Induction may be reduced A reprieve for herbivores “Talking trees”—plants communicate  Neighboring plants crank up their defenses when neighboring plants are being  attacked  Chemical Dense in Plants—Herbivores Respond  May develop tolerance to the plant defense and specialize on the plant Heliconius butterflies and passion flowers Gypsy moths are tannin tolerant  Some herbivores even store toxic plant compounds for their own defense  Monarch butterflies and milkweed Beavers, cottonwoods, leaf beetles  Arms Races: The Red Queen Hypothesis  Species Interaction II: Predation  1/30/14 Top Down/Bottom Up—Plants, Hares, and Lynx Hares show a regular cycle of population size—10 year period Traditional view Lynx have a correlated cycle Increased hare populations ▯ increased lynx population (time lag) ▯ decreased hare populations ▯  decreased lynx population Hares cycle even in absence of lynx Increase in hare population leads to: Decrease in plant availability and quality Increase in lynx population Hares decline to combine effects of: Lower food abundance/quality Increasing predation Hare fluctuations influenced by both resource availability and predation Lynx fluctuations influenced by prey availability  Plant responses are partly driving the system Bottom Up Too blue oceans—the invisibly frame Phytoplankton levels in oceans have dropped by almost 40% since 40s Mesopredator Release and Trophic Cascades Species Interaction II: Predation  1/30/14 Grey fox, domestic cat, skunk, raccoon, opossum  Presence of coyotes had significant effects on interactions among predators and prey  Interaction between coyotes and cats affected abundance of scrub­breeding birds Bewick’s wren, Spotted towhee, Greater roadrunner Overall effect of interactions among coyotes, cats, and birds could not be calculated by studying each  individual interaction  Complex Multi­Trophic Interactions Predator/prey interactions often have consequences for other organisms in the system May be positive or negative depending on population, weather, habitat, and species Summary Predation is a +/­ interaction Important for regulating population size, community structure, and as a force of natural selection In some cases, predation clearly controls prey population size (ie. Kangaroos and dingos) Long term control difficult to achieve in lab Reflects favors such as heterogeneity and prey switching  In other cases, predation is a minor factor compared to competition (ie. Muskrats and minks— minks prey on muskrats) Plants, as prey, evolve their own response to predation and may regulate population size from the bottom  up Physical, chemical defenses Herbivores respond—The Red Queen The plant, the hare, and the lynx Mesopredator release Trophic cascades Coevolution of Predator & Prey             2/4/14 Coevolution of Predator & Prey Coevolution of Predator & Prey             2/4/14 The joint evolution of 2+ species that exert selection pressure on each other from close ecological  associations The coevolutionary arms race results in amazing adaptations of both predator and prey Caterpillar that looks like a snake  Avoiding Detection  Appearance can: Conceal—camouflage  Startle Many prey suddenly flash bright colors or eyespots to startle predators Deceive Many potential prey mimic a predator species   Mislead Many prey have deceptive patterns and/or coloration to mislead predators Advertise Aposematic coloration—a warning about prey defense to potential predators   “I’m poisonous”—frogs  “I’m venomous”—snakes, wasps  “I taste bad”—monarch butterflies  Confuse Many species have elaborate background coloration to break up the body outline and often conceal eyes  Coevolution of Predator & Prey             2/4/14 *Clicker Question: Monarch butterflies can made predators sick because of: Chemicals the  caterpillars ate and sequestered (milkweed) Mimicry Similarity in “appearance” between 2 species arising by natural selection Could involve multiple sensory systems Implies a benefit to 1 or both species (sometimes more) Aposematic coloration provides some excellent examples Henry Walter Bates Batesian Mimicry  Harmless, tasty species (the mimic) evolves similarity to a harmful or unpalatable  species (the model) Color snakes and their mimics  Mimic  ▯ model *Clicker Question: Who benefits and who gets harmed by Batesian mimicry? Mimic benefits, model  gets harmed Mullerian Mimicry Distasteful or harmful species evolve to resemble each other (ie. Monarch and Viceroy butterflies) To their advantage to share color pattern to warn the predators  Coevolution of Predator & Prey             2/4/14 *Clicker Question: Who benefits and who gets harmed by Mullerian mimicry? Model and mimic both  benefit Lecture III Continued** Mutualism Both participating species benefit (+/+) Very important for ecosystem Nitrogen fixation—bacteria and plants  Nutrient uptake—fungi and plants (mycorrhizal fungi) Pollination and fruit yield pollinators/plants  Ants and aphids—aphids provide honeydew, ants protect aphids  Ants—Acacia Mutualism  Widespread, occurs on different continents with different species  Ant benefits Food—N rich Beltian bodies Nest site—hollow thorns Summary Coloration may be used to: Avoid detection in both predators and prey Coevolution of Predator & Prey             2/4/14 Startle potential predators Advertise venom, poison, or distastefulness  Aposematic coloration  Mimicry—an evolved similarity in appearance Batesian  Harmless tasty species evolves to harmful unpalatable species  ▯ mimic benefits,  model is harmed Mullerian Both species evolve to look like each other  ▯ both benefit Mutualism—common and important  Can be obligatory or facultative  Obligatory—can be found no where else Facultative—the two species can survive without the other Parasite Ecology and Evolution  2/6/14 What is parasitism? Like other forms of predation, parasitism is a +/­ interaction Parasite benefits at host’s expense Parasites Depend on host to complete life cycle Often have complex life cycles Often are specialized to one or a few hosts  Parasitism—Examples  Mistletoe Extracts material from host plant   Cuckoos Brood parasites on other birds The bird that does not make its own nest Trick or persuade birds of other species into raising their young  Isopod parasite on fish  Replaces the tongue on some species  Getting fed that way  Parasitoid wasps Lay eggs on/in/near larvae of other insects Eggs hatch and devour host  Parasite Ecology and Evolution  2/6/14 Why is parasitism interesting? Great example of Red Queen Parasites evolve towards exploiting host Host evolves defense against parasites Host and parasite have to keep evolving to keep up with each other  Interesting ecology Often an important force of natural selection Have major effects on reproduction/survival of hosts Highly specialized life style Often show complex life cycles and very specific adaptations Complex Life Cycles Definitive (primary) hosts Intermediate (secondary) host Sometimes multiple hosts  Parasites and Human Health Malaria Protozoan disease that infects 40 million people and causes 1.2 million deaths per year Half the human population at risk Parasite Ecology and Evolution  2/6/14 Mosquitoes are the vector  Chagas Protozoan Fatal if untreated Affects 8­10 million Transmitted by blood sucking insects  Parasite Transmission Direct: Host to Host Indirect: Host to Intermediate to Host An intermediate stage of the life cycle that facilitates reproduction and transmission Ie. Malaria  Challenges and Adaptations  Challenge: Host defenses Immune responses Finding a new host  Adaptation  Surface proteins with high mutation rates to mimic host or evade immune response  Hooks to maintain hold with minimum contact area Production of huge numbers of offspring Parasite Ecology and Evolution  2/6/14 Facilitated by complex life cycles  Each new stage is an opportunity for more bouts of reproduction (often asexual) Modification of intermediate or final host behavior to enhance transmission  Lecture IV Continued** Parasitism is a risky strategy Depend on having a host that survives and doesn’t develop immunity Usually highly specialized Often involves loss of structures that are important for free­living organisms Difficult to re­evolve a free­living lifestyle But it has arisen many, many times  Sum
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