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 Invasive Quallen: Strömungen als Ausbreitungsmotor
23.05.2018 | GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

nachricht Wenn Korallen Plastik fressen
23.05.2018 | Justus-Liebig-Universität Gießen

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: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Im Focus: Faserlaser mit einstellbarer Wellenlänge

Faserlaser sind ein effizientes und robustes Werkzeug zum Schweißen und Schneiden von Metallen beispielsweise in der Automobilindustrie. Systeme bei denen die Wellenlänge des Laserlichts flexibel einstellbar ist, sind für spektroskopische Anwendungen und die Medizintechnik interessant. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) haben, im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „FlexTune“, ein neues Abstimmkonzept realisiert, das erstmals verschiedene Emissionswellenlängen voneinander unabhängig und zeitlich synchron erzeugt.

Faserlaser bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lasern eine höhere Strahlqualität und Energieeffizienz. Integriert in einen vollständig faserbasierten...

Im Focus: LZH zeigt Lasermaterialbearbeitung von morgen auf der LASYS 2018

Auf der LASYS 2018 zeigt das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) vom 5. bis zum 7. Juni Prozesse für die Lasermaterialbearbeitung von morgen in Halle 4 an Stand 4E75. Mit gesprengten Bombenhüllen präsentiert das LZH in Stuttgart zudem erste Ergebnisse aus einem Forschungsprojekt zur zivilen Sicherheit.

Auf der diesjährigen LASYS stellt das LZH lichtbasierte Prozesse wie Schneiden, Schweißen, Abtragen und Strukturieren sowie die additive Fertigung für Metalle,...

Im Focus: Achema 2018: Neues Kamerasystem überwacht Destillation und hilft beim Energiesparen

Um chemische Gemische in ihre Einzelbestandteile aufzutrennen, ist in der Industrie die energieaufwendige Destillation gängig, etwa bei der Raffinerie von Rohöl. Forscher der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) entwickeln ein Kamerasystem, das diesen Prozess überwacht. Dabei misst es, ob es zu einer starken Tropfenbildung kommt, was sich negativ auf die Trennung der Komponenten auswirken kann. Die Technik könnte hier künftig automatisch gegensteuern, wenn sich Messwerte ändern. So ließe sich auch Energie einsparen. Auf der Prozesstechnik-Messe Achema in Frankfurt stellen sie die Technik vom 11. bis 15. Juni am Forschungsstand des Landes Rheinland-Pfalz (Halle 9.2, Stand A86a) vor.

Bei der Destillation werden Flüssigkeiten durch Verdampfen und darauffolgende Kondensation des Dampfes in ihre Bestandteile getrennt. Ein bekanntes Beispiel...

Im Focus: Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt

Wie verleiht man Zellen neue Eigenschaften ohne ihren Stoffwechsel zu behindern? Ein Team der Technischen Universität München (TUM) und des Helmholtz Zentrums München veränderte Säugetierzellen so, dass sie künstliche Kompartimente bildeten, in denen räumlich abgesondert Reaktionen ablaufen konnten. Diese machten die Zellen tief im Gewebe sichtbar und mittels magnetischer Felder manipulierbar.

Prof. Gil Westmeyer, Professor für Molekulare Bildgebung an der TUM und Leiter einer Forschungsgruppe am Helmholtz Zentrum München, und sein Team haben dies...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Rotierende Rugbybälle unter den massereichsten Galaxien

23.05.2018 | Physik Astronomie

Invasive Quallen: Strömungen als Ausbreitungsmotor

23.05.2018 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie

23.05.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics