Ludwig-Maximilians-Universität München
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Das Gesetz des Schwächeren

Nicht nur starke Arten setzen sich durch

München, 13.02.2009

Die Auslöschung von Arten ist eine Folge ihrer Unfähigkeit, sich an neue Umweltbedingungen anzupassen, und ihrer Konkurrenz mit anderen Spezies. Neben der Selektion und der Bildung neuer Arten gehört die Möglichkeit der Adaptation damit zu den Triebfedern der Evolution. Nach der seit Darwin bekannten Interpretation erhöhen diese Prozesse insgesamt die sogenannte „Fitness“ der Spezies, denn von zwei konkurrierenden Arten würde nur die stärkere überleben. LMU-Forscher haben nun den Verlauf eines zyklischen Wettbewerbs dreier Arten simuliert. Dabei ist jede Spezies einer anderen Art überlegen, während sie von einem dritten Interaktionspartner geschlagen wird. „Bei dieser Form der kreisförmigen Konkurrenz erweist sich fast ausnahmslos die schwächste Spezies als Gewinner“, berichtet Professor Erwin Frey, der Leiter der Studie. „Die beiden stärkeren Arten sterben dagegen aus, wie Experimente an Bakterien bereits gezeigt haben. Unser Ergebnis ist nicht nur eine große Überraschung, sondern auch wichtig für das Verständnis der Evolution von Ökosystemen und die Entwicklung neuer Strategien zum Schutz von Arten.“ (Physical Review Letters, 13. Februar 2009)

Ökosysteme setzen sich aus einer großen Zahl verschiedener Arten zusammen, die interagieren und miteinander um die knappen Ressourcen in Konkurrenz stehen. Dieser Wettbewerb zwischen Spezies wirkt sich wiederum auf die Wahrscheinlichkeit aus, mit der sich Individuen fortpflanzen können und überleben – also Geburt und Tod. All diese Prozesse beruhen in großem Maße auch auf rein rechnerischen Wahrscheinlichkeiten, wodurch sich Fluktuationen ergeben, die letztlich zum Artensterben führen. Man weiß, dass auf der Erde bis zu 50 Spezies pro Tag ausgelöscht werden, was in dieser hohen Rate auch auf den Einfluss des Menschen zurückzuführen ist.

Das Phänomen Artensterben an sich aber kann nicht vollständig vermieden werden – und ist auch noch wenig verstanden. Die theoretische Ökologie und die Biophysik untersuchen deshalb intensiv Bedingungen und Mechanismen, die sich auf die Biodiversität der Erde auswirken. Der zyklische Wettbewerb etwa ist ein wichtiger Spezialfall der Konkurrenz: Dabei ist jeder Teilnehmer einem anderen Interaktionspartner überlegen, wird von einem dritten aber geschlagen. Im Ökosystem wären das im vereinfachten Modell drei Subpopulationen, die sich reihum dominieren. Tatsächlich kennt man bereits aus verschiedenen Habitaten entsprechende und auch komplexere Gemeinschaften, die diesen Regeln folgen.

Eine derart kreisförmige Interaktion ist auch als Spiel unter dem Namen „Stein-Schere-Papier“ bekannt. Dabei macht der Stein die Schere stumpf, die dafür das Papier schneidet, das wiederum den Stein einwickelt. Zusammen bilden diese nicht-hierarchischen Beziehungen eine Kreisbewegung. „Das Spiel kann helfen, die Artenvielfalt zu beschreiben“, so Frey. „Hintergrund ist ein Teilgebiet der Mathematik, die so genannte Spieltheorie, in diesem Fall die evolutionäre Spieltheorie. Sie hilft, Systeme mit mehreren Akteuren zu analysieren, deren Interaktionen denen in Gesellschaftsspielen ähneln.“

Mit Hilfe der Spieltheorie kann man auch die gemeinsame Entwicklung von Populationen untersuchen. In ihrer Untersuchung entwarfen die Wissenschaftler um Frey aufwendige Computersimulationen, um die Wahrscheinlichkeiten zu berechnen, mit denen Arten im zyklischen Wettbewerb überleben. Die Koexistenz von drei Spezies war der Ausgangspunkt der Systeme, die bis zur Auslöschung zweier Arten – mit der dritten als einzig verbleibendem Überlebenden – liefen. „Dabei zeigte sich, dass bei großen Populationen die schwächste Art mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit der Sieger war“, so Frey.

Dieses „Gesetz des Schwächeren“ trat selbst dann auf, wenn der Unterschied zwischen den konkurrierenden Spezies gering war. „Dieses Resultat war auch für uns unerwartet“, berichtet Frey. „Es zeigt aber einmal mehr, dass die Dynamik eines Ökosystems in hohem Maße auch auf Wahrscheinlichkeiten beruht – und der Zufall eine wichtige Rolle dabei spielt. In Experimenten, die vor ein paar Jahren an Bakterien durchgeführt wurden, um eine zyklische Konkurrenz zu untersuchen, gab es übrigens ein eindeutiges Ergebnis: Die schwächste der drei Arten ging als Sieger aus dem Wettbewerb hervor.“

Das Projekt wurde vom Exzellenzcluster „Nanosystems Initiative Munich (NIM)“ unterstützt, dem Professor Erwin Frey angehört. (suwe)

Publikation:
„Zero-one survival behavior of cyclically competing species“,
Maximilian Berr, Tobias Reichenbach, Martin Schottenloher and Erwin Frey,
Physical Review Letters, 13. Februar 2009

Ansprechpartner:
Professor Dr. Erwin Frey
Arnold-Sommerfeld-Center für Theoretische Physik der LMU
Tel.: 089 / 2180 – 4537
Fax: 089 / 2180 – 4538
E-Mail: frey@lmu.de

 

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