Studie: Ein inverses Modell für Nahrungsnetze und die Stabilität von Ökosystemen
In einer neuen Studie, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, kehren die Autoren Gabriel Gellner und Kevin McCann von der University of Guelph und der externe SFI-Professor Alan Hastings (UC Davis) einen klassischen Ansatz zur Modellierung von Nahrungsnetzen um.
Beziehung zwischen Interaktionsstärke und Allgemeinheit der Fütterung
image: Gellner et. al./PNAS, Fig 4. in paper
In einer neuen Studie, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, stellen die Autoren Gabriel Gellner und Kevin McCann von der University of Guelph und der externe SFI-Professor Alan Hastings (UC Davis) einen klassischen Ansatz zur Modellierung von Nahrungsnetzen auf den Kopf. Anstatt zu versuchen, stabile, komplexe Ökosysteme mit Hilfe vereinfachter Darstellungen der Interaktionen zwischen den Arten nachzubilden, geht die neuartige inverse Methode der Autoren von der Existenz von Ökosystemen aus und arbeitet rückwärts, um Nahrungsnetze zu charakterisieren, die diese Annahme unterstützen. Ihre Arbeit ist ein wichtiger Schritt zur Beantwortung der grundlegenden ökologischen Frage, wie die biologische Vielfalt die Stabilität von Ökosystemen fördert. Die Ergebnisse geben Aufschluss darüber, wie die Natur auf die zunehmenden anthropogenen Störungen reagieren könnte.
"Anstatt mit dem zu beginnen, was schwer zu messen ist - wie sich die Arten gegenseitig beeinflussen -, beginnen wir mit der Anzahl der einzelnen Arten und finden heraus, wie sie auf eine Weise interagieren, die ihre Koexistenz erklärt", sagt Hastings.
Die Ökosysteme der Erde weisen eine erstaunlich stabile Dynamik auf, aber die Versuche, diese Stabilität zu verstehen, haben die Ökologen seit Generationen verblüfft. Lord Robert May, ein ehemaliger Vorsitzender des SFI-Wissenschaftsrats, führte auf der Grundlage der Wirtschaftstheorie die Gemeinschaftsmatrix ein, ein mathematisches Instrument zur Beschreibung der Beziehungen zwischen den Arten in einem Ökosystem. Die Matrix nutzt die Interaktionen zwischen den Arten als Grundlage, um die Rolle von Vielfalt und Komplexität für die Stabilität von Ökosystemen zu erklären. Der Ansatz ist nützlich, weil er alle Wechselwirkungen des Nahrungsnetzes berücksichtigt; er greift jedoch zu kurz, weil dies allzu vereinfachende Annahmen über die Beziehungen zwischen den Organismen erfordert. Viele Modelle, die auf dieser Technik basieren, zeigen, dass die Stabilität mit zunehmender Artenvielfalt abnimmt, was im Widerspruch zu den beobachteten stabilen Ökosystemen steht.
Die Frage, wie große komplexe Ökosysteme überleben, ist jedoch von entscheidender Bedeutung. Wenn wir die Mechanismen, die Ökosysteme stabilisieren, nicht verstehen, können wir sie angesichts des zunehmenden Chaos, das durch Unwetterereignisse, wütende Waldbrände oder wuchernde invasive Arten entsteht, nicht erhalten.
Der inverse Ansatz ist erfolgreich, weil er biologische Beschränkungen in das Modell einbezieht. Eine Machbarkeitsbeschränkung schreibt vor, dass nur reale Interaktionen in das Modell aufgenommen werden. Darüber hinaus legt eine energetische Einschränkung fest, dass eine Mahlzeit nicht mehr Energie liefern kann, als für die Jagd erforderlich ist, da in einer Nahrungskette nur 10-20 % der Energie einer Ressource auf den Verbraucher übergehen.
"Wir sehen viele unterschiedliche Ökosysteme in der Welt", sagt Hastings. "Wir haben gezeigt, dass wir große, vielfältige Ökosysteme simulieren und verstehen können, warum sie stabil sind, wenn man die richtigen biologischen Informationen in das Modell einbringt."
Die Autoren heben hervor, dass der inverse Ansatz große theoretische Vorteile gegenüber dem klassischen Ansatz von May bietet, der vor mehr als 40 Jahren eingeführt wurde. "Während Robert Mays Ansatz mit einem statistischen Universum arbeitete..., hat der inverse Ansatz die neuartige Eigenschaft, dass er es uns erlaubt, nur die Sammlung von Netzen zu betrachten, die realistischen, machbaren Lösungen entsprechen."
Mays Gemeinschaftsmatrix war fast ein halbes Jahrhundert lang ein Katalysator für die ökologische Theorie. So wie May die Ökonomie nutzte, um die Beziehungen zwischen Vielfalt und Stabilität neu zu überdenken, lassen sich Hastings und seine Mitautoren von den jüngsten Bemühungen in der Genomik inspirieren. Die Autoren glauben, dass ihr inverser Ansatz ebenfalls "reich an Potenzial für theoretische Fortschritte" ist.
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