Dynamik mikrobieller Gemeinschaften

Unter bestimmten Umständen verändert sich die Häufigkeit von Planktonarten laufend, ohne dass eine Art dauerhaft dominiert

Forscher des Max-Planck-Instituts für Evolutionsbiologie in Plön ist es gelungen, ein bisher unerforschtes dynamisches System mikrobieller Gemeinschaften zu charakterisieren und so beobachtbare Muster in Meeresplankton zu erklären. In diesem Umfeld führen starke und unterschiedliche Wechselwirkungen zusammen mit begrenzter Ausbreitung dazu, dass die wenigen, häufigen Arten ständig wechseln. Dadurch ist ihr Erfolg instabil, und jede Art wechselt zwischen Seltenheit und Dominanz, ohne dass eine dauerhaft dominiert.

Die Wissenschaftler der Forschungsgruppe für Dynamiken mikrobieller Kollektive konzentrierten sich darauf, die ökologischen Mechanismen zu verstehen, die für die beobachtete außergewöhnliche Vielfalt mikrobieller Lebensformen verantwortlich sind. Eine wichtige Hypothese ist, dass komplexe Interaktionen zwischen verschiedenen Taxa die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften wesentlich beeinflussen. Ein starker Wettbewerb geht jedoch in der Regel mit dem Ausschluss aller Arten bis auf eine Handvoll einher, wodurch sich die "Gewinner" und "Verlierer" des Überlebenskampfes klar abgrenzen lassen.

Durch die Modellierung der Gemeinschaftsdynamik mittels Lotka-Volterra-Gleichungen mit ungeordneten, meist konkurrierenden Interaktionen fanden die Forscher heraus, dass die dominante Gemeinschaft schließlich unterwandert wird, wenn verhindert wird, dass "Verlierer" aussterben und sie sich als seltene Arten halten können. Die "Gewinner"-Arten werden dann selten und eine Untergruppe der ehemals seltenen Arten nimmt drastisch - wenn auch nur vorübergehend - zu.

Komplexe Dynamiken in Gemeinschaften

Eine bemerkenswerte Entdeckung der Studie ist, dass es nicht vorhersehbar ist, welche Art zu welchem Zeitpunkt dominiert, und dass die Arten in hohem Maße dynamisch gleichwertig sind. Allerdings wirken sich selbst kleinste Unterschiede zwischen den Arten auf die Wahrscheinlichkeit aus, dass sie boomen, was dazu führt, dass einige Arten im Vergleich zu anderen häufiger dominant oder selten sind.

Die Forscher haben gezeigt, dass die wesentlichen Merkmale einer solchen chaotischen Dynamik von einem viel einfacheren Einzelartenmodell erfasst werden, bei dem eine repräsentative "fokale" Art die Schwankungen der restlichen Gemeinschaft als Rauschen betrachtet, dessen Korrelation die Zeitskala des Umsatzes widerspiegelt. Dieses Modell führt außerdem zu einem Leistungsgesetz-Abfall der Artenvielfalt, ein Muster, das in marinen Planktongemeinschaften allgegenwärtig ist.

Die Erkenntnisse aus dieser Studie haben nicht nur ein Licht auf einen Prozess geworfen, der eine hohe Artenvielfalt aufrechterhalten kann, sondern auch potenzielle Anwendungen für die Analyse von zeitaufgelösten Umweltaufzeichnungen eröffnet und damit wichtige Impulse für die zukünftige Forschung gegeben.

Kunst trifft Wissenschaft

Die Auswirkung von Interaktionsstärke und Heterogenität auf die Dynamik und Vielfalt von Gemeinschaften inspirierte außerdem die Produktion einer originellen künstlerischen Kreation, die Wissenschaft mit Animation, Tanz und Musik verbindet. Die Aufführung wurde auf dem ARTEX-Festival am Institut für komplexe Systeme in Paris (https://iscpif.fr/artex23-prix/) mit dem Publikumspreis ausgezeichnet und verdeutlicht das Potenzial mathematischer Modelle für die Öffentlichkeitsarbeit.