Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Was Ökosysteme stabilisiert -- Darmstädter Zoologen lösen ein Paradoxon der Ökologie

18.03.2008
Was passiert, wenn eine Tierart ausstirbt? Wird irgendwann die gesamte Artengemeinschaft dieses Ökosystems zusammenbrechen?

Schließlich ist jede Art Teil einer Nahrungskette in Räuber-Beute-Beziehungen mit anderen Arten verknüpft. Viele dieser Ketten überschneiden sich und bilden sogenannte Nahrungsnetze. An diesen Nahrungsnetzen hängt das Leben aller Lebewesen - letztendlich auch das des Menschen.

Solche und viele andere drängende ökologische Fragen versuchen Wissenschaftler seit rund 40 Jahren dadurch zu beantworten, dass sie am Computer mit Modellen solche Nahrungsnetze simulieren. Als Grundlage hierfür verwenden sie Daten, die in realistischen Artengemeinschaften aus den unterschiedlichsten Ökosystemen erhoben wurden: ob in der Arktis oder der Wüste, ob im Wasser oder an Land.

Und doch stießen die Forscher immer wieder auf dasselbe Problem: In der Simulation waren die Gemeinschaften nicht stabil. "Das war bislang das Dilemma der Ökologie, die Grunddiskussion der Biodiversität. Wir hatten eine mathematische Situation, die es in der Natur nicht gibt", erläutert Dr. Ulrich Brose vom Institut für Zoologie der TU Darmstadt. Niemand wusste, welcher Faktor für die Stabilität der Lebensgemeinschaften verantwortlich ist. Sonja Otto aus der Forschungsgruppe um Brose hat in ihrer Doktorarbeit nun die Lösung gefunden.

Das ökologische Dilemma

Am Computer geschah bislang Folgendes: Die Forscher wählten ein Nahrungsnetz aus, zum Beispiel das der Buchenwälder mit all ihren Pflanzen und Tieren. In den Simulationen nimmt beispielsweise der Bestand der Spechte stark zu, wodurch der Bestand der baumbewohnenden Käfer zusammenbricht, von denen sich Spechte ernähren. Wenn die Spechte kein Futter mehr finden, bricht anschließend auch ihre Population zusammen.

Solche destabilisierenden Prozesse können sich durch das gesamte Nahrungsnetz fortpflanzen und zum Zusammenbruch des Systems führen. Während in Computersimulationen solche Systemzusammenbrüche die Regel waren, sind natürliche Nahrungsnetze erstaunlich stabil. Was ist nun der entscheidende Faktor, der die natürlichen Systemen vor dem Untergang bewahrt?

Die Lösung des Problems

"Wir haben einen an sich einfachen Trick angewendet", erzählt Brose, der für seine Arbeiten zu Nahrungsnetzen im Februar den mit 50.000 Euro dotierten Adolf-Messer-Preis der gleichnamigen Stiftung erhielt. "Bislang wurden die für die Simulationen notwendigen Parameter der Räuber-Beute-Modelle, also zum Beispiel die Fraßrate oder die Atmungsrate, unabhängig und zufällig ausgewählt.

Doch Futtermenge und Atemintensität ebenso wie die Produktion eigener Biomasse, die Produktionsrate, sind an das Körpergewicht gekoppelt. Die Atmung zum Beispiel steigt mit zunehmender Körpermasse, ebenso die Produktionsrate", so Brose, der am Institut für Zoologie eine von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte Emmy-Noether-Gruppe leitet. "Wir haben die bislang unabhängig ausgewählten Parameter zu einem Parameter "Körpermasse" zusammengefasst und die Stabilität der Populationen in Abhängigkeit von den Körpermassenverhältnissen der Arten untereinander untersucht.

Das Ergebnis war verblüffend. "Es stellte sich heraus, dass nur in einem klar begrenzten Körpermassen-Bereich alle Arten überleben können", berichtet Sonja Otto, die die Ergebnisse ihrer Doktorarbeit auch in der renommierten Fachzeitschrift "nature" präsentierte. "Wir nennen das den Stabilitätsbereich. Wird dagegen eine Art relativ zu ihren Beutearten zu klein oder auch zu groß, bricht das ganze Netzwerk zusammen."

Die Theorie funktioniert auch in der Natur

Bei der Überprüfung der Theorie in natürlichen Artengemeinschaften stellte sich heraus, dass 97 Prozent aller Nahrungsketten in diesen Stabilitätsbereich fallen. "Das kann kein Zufall sein", betont Brose. "Würden die untersuchten Nahrungsketten zufällig mit Körpermassen versehen, würde statistisch gesehen maximal jede fünfte von ihnen den am Computer berechneten Stabilitätsbereich abdecken."

Doch warum befinden sich Arten, die in einem Räuber-Beute-Verhältnis stehen, mit ihren Körpermassen exakt in diesem Stabilitätsbereich? Zwei Regeln sind dafür verantwortlich. Erstens: Je größer eine Art ist, desto mehr Beutearten hat sie. Und zweitens: Je größer eine Art ist, desto weniger Räuberarten hat sie. Das sind im Prinzip die beiden Konstanten, um die die Wissenschaftler ihre mathematischen Modelle am Computer ergänzten und so den Durchbruch erzielten.

"Wenn wir in unseren Nahrungsnetzen die Interaktionen der Arten zufällig verändert haben, ist das Netz zusammengebrochen. Haben wir jedoch diese zwei altbekannten Regeln erhalten, also die Konstanten beigefügt, blieben die Artengemeinschaften stabil", erklärt Brose. Das ist der Beweis, dass die Körpermassenverhältnisse zwischen den Populationen die so lange gesuchten Stabilitätsfaktoren sind.

Ein Schub für die ökologische Forschung

"Da wir nun auch komplexere Nahrungsnetze realistisch simulieren können - über das einfache Räuber-Beute-Verhältnis hinaus - können wir künftig auch die drängenden Fragestellungen unserer Zeit realistisch simulieren", freut sich Brose. Zum Beispiel eben das Artensterben. "Die Folgen des Artensterbens werden damit besser vorhersagbar." So könnte auch geklärt werden, welches die wichtigen Arten sind, die ein Ökosystem jeweils tragen. Oder welche Auswirkungen der Temperaturanstieg im Rahmen des Klimawandels auf die Ökosysteme haben wird. Welche Konsequenzen wird die kommerzielle Fischerei für Meeres-Ökosysteme haben?

Noch können nur die Darmstädter als weltweit einzige Forschergruppe realistische, stabile Nahrungsnetze am Computer simulieren. Doch das wird sich bald ändern, ist sich Brose sicher. Das internationale Interesse an diesem methodischen Durchbruch ist schon jetzt sehr groß.

Originalpublikation:
Sonja B. Otto, Björn C. Rall, Ulrich Brose, Allometric degree distributions facilitate food-web stability, Nature 450, 1226-1230 (2007)

Jörg Feuck | idw
Weitere Informationen:
http://www.bio.tu-darmstadt.de/ags/brose/
http://www.tu-darmstadt.de/

Weitere Berichte zu: Artengemeinschaft Nahrungskette Nahrungsnetz Population Ökosystem

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Ökologie Umwelt- Naturschutz:

nachricht Dünenökosysteme modellieren
23.06.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Es wird zu bunt im Gillbach: Weitere nichtheimische Buntbarschpopulation in Deutschland nachgewiesen
22.06.2017 | Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Ökologie Umwelt- Naturschutz >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Future Security Conference 2017 in Nürnberg - Call for Papers bis 31. Juli

26.06.2017 | Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

„Digital Mobility“– 48 Mio. Euro für die Entwicklung des digitalen Fahrzeuges

26.06.2017 | Förderungen Preise

Fahrerlose Transportfahrzeuge reagieren bald automatisch auf Störungen

26.06.2017 | Verkehr Logistik

Forscher sorgen mit ungewöhnlicher Studie über Edelgase international für Aufmerksamkeit

26.06.2017 | Physik Astronomie