Chaos im Nahrungsgewebe

Chaosforschung mit einem mikrobiellen Nahrungsnetz

Erstmals konnten Kölner Wissenschaftler aus dem Bereich Allgemeine Ökologie des Zoologischen Institutes der Universität zu Köln gemeinsam mit Kollegen der Universität Osnabrück, des Max-Plank Instituts für Limnologie in Plön und des Instituts für Ostseeforschung in einem experimetellen Nahrungsgewebe chaotisches Verhalten nachweisen. Die beiden Kölner Ökologen entwickelten ein System, das aus zwei Bakterienstämmen und einem Ciliaten (Wimpertierchen) besteht. Die Forschungsergebnisse wurden in der Juni-Ausgabe des US-Wissenschaftsmagazins „Nature“ veröffentlicht.

Das System wurde unter konstanten Versuchsbedingungen hinsichtlich der Änderungen der Populationsdichte in Abhängigkeit von der Zeit untersucht. Dabei konnten neben dem Einpendeln der Populationsdichte auf einen festen Wert auch regelmäßige periodische Schwingungen und – sehr viel bemerkenswerter – scheinbar völlig musterlose chaotische Schwankungen gezeigt werden. Die unterschiedlichen Muster wurden durch Änderungen der Wachstumsrate erreicht. Aus der Analyse mathematischer Populationsmodelle war schon lange bekannt, dass Populationen durch die Änderung eines oder mehrerer Parameter verschiedene Muster zeigen können und sich dabei eben auch chaotisch Verhalten können. Der experimentelle Nachweis chaotischen Verhaltens war bis jetzt jedoch auf das ein-Arten System einer Mehlkäferart beschränkt. Der jetzt erfolgte Nachweis von Chaos in einem experimentellen drei-Arten System ist ein ganz wichtiger Schritt, um der Antwort auf die Frage nach der Bedeutung von Chaos für Organismen in der „realen Welt“ näher zukommen. Die Kölner Ökologen entdeckten durch ihre Studien erstmalig ein experimentelles System, das es ermöglicht, chaotisches Verhalten von natürlichen Systemen gezielt experimentell zu beeinflussen und die Wirkung von externen und internen Faktoren zu studieren.

Die Diskussion über die Bedeutung von Chaos für das zeitliche und räumliche Auftreten von Populationen bzw. Arten ist von großer Bedeutung. Denn Chaos zeichnet sich dadurch aus, dass kleinste Unterschiede in den Anfangsbedingungen im Laufe der Zeit zu vollkommen unterschiedlichen und irrgulären Mustern führen. Der vielen Leuten bekannte Begriff des Schmetterlingseffekts ist eine bildhafte Beschreibung dieser charakteristischen Eigenschaft. Bildhaft gesprochen kann sich das Wetter irgendwo auf der Welt ändern, wenn an einer ganz anderen Stelle der Welt ein Schmetterling mit den Flügeln schlägt. Für viele Systeme sind die Anfangsbedingungen nicht ganz genau bekannt, weil sie oft nur fehlerbehaftet messbar sind. Daraus ergeben sich dann diese kleinen Unterschiede in den Anfangsbedingungen. Damit sind Vorhersagen für chaotische Systeme nur für kurze Zeiträume möglich.

Ein Problem des Nachweises von Chaos in Experimenten oder in der Natur liegt an der Schwierigkeit, chaotische Muster von zufälligen Mustern zu unterscheiden. In den durchgeführten Experimenten wurden durch die Wahl konstanter Versuchsbedingungen zufällige Einflüssen von außen (z.B. Temperatur) so reduziert, dass die beobachteten Muster eindeutig mittels mathematischer Methoden als Chaos identifiziert werden konnten. Verantwortlich: Dr. Wolfgang Mathias

Für Rückfragen steht Ihnen Professor Dr. Hartmut Arndt unter der Telefonnummer 0221/470-3100, Sekretariat 0221/470-5666, der Fax-Nummer 0221/470-5932 und der Email-Adresse hartmut.arndt@uni-koeln.de zur Verfügung.