Dynamik von Phytoplanktonpopulationen fern vom Gleichgewicht: Chemostatversuche und mathematische Modellierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In der Ökologie äußert sich synchrones Verhalten auf zwei Arten. Entweder befindet sich innerhalb einer strukturierten Population der Großteil der Individuen in einem identischen bzw. sehr ähnlichen Zustand (z.B. Größe, Alter). Dies passiert häufig, da Organismen in ihrer Entwicklung oft durch Ressourcen (z.B. Nährstoffe, Licht) limitiert sind und als Folge synchronisiert werden – im Fachjargon wird dies als sog. ‚Entrainment‘ bezeichnet. In diesem Fall können die Individuen aufgrund ihres Lebenszyklus als Oszillatoren betrachtet und ihre Dynamiken mit einem modifizierten Kuramoto-Modell beschrieben werden. Störungen der Populationsstruktur führen zu Oszillationen der Individuendichte, die abhängig von der Umsatzrate (Durchflussrate) und der Ressourcenverfügbarkeit auch persistent sein können. Die andere Art synchronen Verhaltens in der Ökologie zeigt sich beim Vergleich von Zeitreihen räumlich getrennter Populationen. Diese weisen mitunter sehr hohe Korrelationskoeffizienten auf, obwohl deren Individuen nicht zwischen den Habitaten migrieren und es keinen gemeinsamen Räuber o.ä. gibt. Der Grund hierfür wird als sog. Moran-Effekt bezeichnet: Korrelierte stochastische Umwelteinflüsse (z.B. Wetter) beeinflussen die Dynamiken der in den getrennten Habitaten lebenden Populationen. Sind die Umwelteinflüsse stark korreliert, spiegelt sich dies auch in einem hohen Synchronisationsgrad der Populationen wider. Die Dynamiken einer Population werden in der Natur aber nicht nur durch Umweltschwankungen bestimmt, was dazu führt, dass die Korrelationskoeffizienten der Populationen kleiner sind als die der Umwelt. Dieses Projekt liefert wichtige Beiträge in diesen Forschungsfeldern. Wir führten ein allgemeines Modell der Synchronitätstheorie in die Populationsökologie ein und zeigten in Experimenten mit lebenden Populationen, dass sich nach externer Störung der Struktur persistente Oszillationen einstellen können. Dabei verdeutlichten wir die Bedeutung einer Populationsstruktur zur Beschreibung von komplexen Dynamiken als Reaktion auf eine sich verändernde Umwelt: Nur unter Berücksichtigung einer Stickstoff-abhängigen individuellen Entwicklung und Größe konnten die beobachteten Dynamiken erklärt werden. Abschließend konnten wir erstmals theoretisch und experimentell zeigen, dass die Synchronisation zwischen zwei Populationen größer sein kann als zwischen der sie beeinflussenden Umwelt. Der Grund hierfür lag in der Berücksichtigung unter-schiedlich stark autokorrelierter Umwelteinflüsse.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2010). Cycles, phase synchronization and entrainment in single-species phytoplankton populations. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 107(9): 4236-41
Massie, Thomas M., B. Blasius, G. Weithoff, U. Gaedke and G. Fussmann
