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Dienstag, 28.03.2017
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Chaos gibt es auch im Nahrungsnetz

Erstmals chaotisches Verhalten bei Bakterien und Ciliaten nachgewiesen

Wissenschaftler haben erstmals in einem experimentellen Nahrungsgewebe chaotisches Verhalten nachgewiesen. Die beiden Kölner Ökologen entwickelten ein System, das aus zwei Bakterienstämmen und einem Ciliaten (Wimpertierchen) besteht.
Bakterien

Bakterien

Im Rahmen ihrer Studie untersuchten Ökologen der Universität zu Köln gemeinsam mit Kollegen der Universität Osnabrück, des Max-Plank Instituts für Limnologie in Plön und des Instituts für Ostseeforschung das System unter konstanten Versuchsbedingungen auf Änderungen der Populationsdichte in Abhängigkeit von der Zeit.

Dabei ermittelten sie neben dem Einpendeln der Populationsdichte auf einen festen Wert auch regelmäßige periodische Schwingungen und - sehr viel bemerkenswerter - scheinbar völlig musterlose chaotische Schwankungen. Die unterschiedlichen Muster wurden durch Änderungen der Wachstumsrate erreicht.

Chaos im drei-Arten System


Aus der Analyse mathematischer Populationsmodelle war schon lange bekannt, dass Populationen durch die Änderung eines oder mehrerer Parameter verschiedene Muster zeigen können und sich dabei eben auch chaotisch Verhalten können. Der experimentelle Nachweis chaotischen Verhaltens war bis jetzt jedoch auf das ein-Arten System einer Mehlkäferart beschränkt.


Der jetzt erfolgte Nachweis von Chaos in einem experimentellen drei-Arten System ist nach Ansicht der Forscher ein ganz wichtiger Schritt, um der Antwort auf die Frage nach der Bedeutung von Chaos für Organismen in der "realen Welt" näher zukommen. Die Kölner Ökologen entdeckten durch ihre Studien erstmalig ein experimentelles System, das es ermöglicht, chaotisches Verhalten von natürlichen Systemen gezielt experimentell zu beeinflussen und die Wirkung von externen und internen Faktoren zu studieren.

Chaosforschung mit großer Bedeutung


Die Diskussion über die Bedeutung von Chaos für das zeitliche und räumliche Auftreten von Populationen bzw. Arten ist von großer Bedeutung. Denn Chaos zeichnet sich dadurch aus, dass kleinste Unterschiede in den Anfangsbedingungen im Laufe der Zeit zu vollkommen unterschiedlichen und irregulären Mustern führen. Der vielen Leuten bekannte Begriff des Schmetterlingseffekts ist eine bildhafte Beschreibung dieser charakteristischen Eigenschaft.

Bildhaft gesprochen kann sich das Wetter irgendwo auf der Welt ändern, wenn an einer ganz anderen Stelle der Welt ein Schmetterling mit den Flügeln schlägt. Für viele Systeme sind die Anfangsbedingungen nicht ganz genau bekannt, weil sie oft nur fehlerbehaftet messbar sind. Daraus ergeben sich dann diese kleinen Unterschiede in den Anfangsbedingungen. Damit sind Vorhersagen für chaotische Systeme nur für kurze Zeiträume möglich.

Da es schwierig ist, chaotische Muster von zufälligen Mustern zu unterscheiden, haben Forscher bisher große Probleme Chaos in Experimenten oder in der Natur nachzuweisen.

In den durchgeführten Experimenten wurden durch die Wahl konstanter Versuchsbedingungen zufällige Einflüssen von außen (z.B. Temperatur) so reduziert, dass die beobachteten Muster eindeutig mittels mathematischer Methoden als Chaos identifiziert werden konnten.
(idw - Universität zu Köln, 01.07.2005 - DLO)
 
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