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Artenvielfalt durch Musterbildung

Eine enorme Vielfalt verschiedenster Tier- und Pflanzenarten bevölkert unsere Erde. Dieser Reichtum ist wichtig für die Lebensfähigkeit der Ökosysteme. Mit ihm ist ein komplexes Geflecht von Interaktionen verbunden, in denen die unterschiedlichen Spezies zueinander stehen. Dies können beispielsweise Räuber-Beute-Abhängigkeiten oder symbiotische Beziehungen sein.  Dadurch stossen konzeptuelle Erklärungen von Artenvielfalt jedoch überraschend schnell auf grundlegende Schwierigkeiten. Warum setzt sich bei zwei konkurrierenden Spezies nicht langfristig eine allein durch, sei es aufgrund besserer Angepasstheit oder durch zufällige Ereignisse?

Besonders gut zu studieren sind ökologische Systeme im mikroskopischen Reich der Bakterien. Die Zahl solcher Mikroorganismen wie ihrer verschiedenen Arten übersteigt nämlich bei weitem die makroskopischer Lebewesen. Weiterhin sind Experimente unter kontrollierten Laborbedingungen möglich. Tatsächlich haben Biologen der Universitäten Stanford und Yale kürzlich Experimente zur Artenvielfalt mit drei Bakterienstämmen unternommen. Einer dieser Stämme produziert ein Gift, das einen zweiten, sensitiven Stamm tötet. Der dritte Stamm ist jedoch resistent gegen dieses Gift. Da er sich schneller fortpflanzt als der giftproduzierende, jedoch langsamer als der sensitive, ergibt sich eine zyklische Dominanz. Wie im Stein-Schere-Papier Spiel setzt sich jeder Stamm gegen einen anderen durch, wird aber selber vom verbleibenden verdrängt. In den Experimenten hat sich herausgestellt, dass alle drei Bakterienstämme miteinander koexistieren, wenn sie sich räumlich abgrenzen können. Auf einer Petrischale bilden sich zeitlich variable Muster von Gebieten, in denen jeweils ein Stamm dominiert.

Abbildung: (a) Artenvielfalt in einem Korallenriff. (b) Schematische Wechselwirkung dreier Bakterienstämme, die sich zyklisch dominieren. Ein giftproduzierender Stamm kann einen sensitiven töten, welcher jedoch schneller als ein dritter, resistenter Stamm wächst, der sich wiederum schneller als der giftproduzierende ausbreitet. (c) Theoretisch berechnete spiralförmige Musterbildung von drei sich zyklisch dominierenden Spezies.

Was geschieht, wenn sich die Bakterien auf der Petrischale bewegen können? Welchen Einfluss hat die Mobilität von Bakterien auf Musterbildung und auf Artenvielfalt? In unserer Arbeit haben wir diese Fragen innerhalb eines theoretischen Modells untersucht. Durch eine Kombination von numerischen Computersimulationen und mathematischen Beschreibungen konnten wir eine kritische Schwelle der Mobilität identifizieren. Unterhalb dieser Schwelle, wenn die Beweglichkeit der Bakterien also nicht zu hoch ist, bilden sich spiralförmige Muster aus, in denen sich die drei Stämme zyklisch "jagen". Oberhalb des Schwellwertes können sich keine Muster mehr ausbilden. Die Artenvielfalt geht verloren, und nur ein Stamm überlebt. Interessanterweise ist dies der in einem gewissen Sinn "schwächste".

Unsere Arbeit hat gezeigt, dass Mobilität Artenvielfalt zerstören kann, und diesen Effekt quantifiziert. In Zusammenarbeit mit dem Biophysik-Lehrstuhl von Prof. J. Rädler an der LMU München sind wir momentan dabei, diese theoretischen Ergebnisse anhand von Bakterienexperimenten zu überprüfen. Wir erwarten dabei neue, vertiefte Einsichten in ökologische Musterbildung und Artenvielfalt.

Tobias Reichenbach
Ausbildung

Since 2008
Postdoc-Stelle an der Rockefeller University, New York

2005 - 2008
Dissertation,
Doktorvater: Prof. Erwin Frey, LMU München

1999 - 2004
Diplom in Physik, Leipzig Universität

Ausgewählte Publikationen

T. Reichenbach, T. Franosch, E. Frey (2006): "Exclusion Processes with Internal States", Phys. Rev. Lett. 97, 050603

T. Reichenbach, M. Mobilia, E. Frey (2007): "Mobility promotes and jeopardizes biodiversity in rock-paper-scissors games", Nature 448, 1046-1049

T. Reichenbach, E. Frey (2008): "Instability of Spatial Patterns and Its Ambiguous Impact on Species Diversity", Phys. Rev. Lett. 101, 058102