Ein Gesetz für die Natur

News: Ein Gesetz für die Natur

Es geht doch nichts über ein Modell. Die Chemiker haben ihr Periodensystem, die Physiker das Gesetz von der Schwerkraft und die Biologen die natürliche Auslese. Die so genannten 'Naturgesetze' sollen die Grundlagen für komplizierte Zusammenhänge darstellen und beschreiben. Nun bekommen vielleicht auch die Ökologen endlich eigene Naturgesetze. Zumindest rein rechnerisch sind die Ausprägungen von Nahrungsnetzen offensichtlich sehr ähnlich - ob es sich nun um ein Korallenriff, eine Wüste oder einen Regenwald handelt.

Die verschiedenen Organismen in einem Ökosystem bilden ein Nahrungsnetz: An der Basis stehen die Produzenten – Pflanzen und Bakterien –, welche die Sonnenenergie nutzen, um Biomasse aufzubauen. Von ihnen ernähren sich die Herbivoren, also Pflanzenfresser, die wiederum den Carnivoren oder Raubtieren als Nahrung dienen. Nicht zu vergessen die Destruenten, vor allem Bakterien und Pilze, aber auch zum Beispiel bestimmte Insekten, welche das abgestorbene organische Material zersetzen und in Form von pflanzenverfügbaren Verbindungen dem System wieder zur Verfügung stellen. Herbivore, Carnivore und Destruenten werden als Konsumenten zusammengefasst. Und natürlich ernähren sich die meisten Lebewesen nicht nur von einer anderen Art, sondern sie haben viele Beutetiere beziehungsweise sind selbst nur eines unter vielen, die als Nahrung dienen.

Bisher gehen die meisten Ökologen davon aus, dass die Ausprägung des Nahrungsnetzes ganz entscheidend von dem jeweiligen Ökosystem abhängt. Die Beziehungen in einem Regenwald sollten anderen Gesetzen gehorchen als jene in einem Korallenriff oder in der Wüste. Neo Martinez und Richard Williams von der San Francisco State University entwickelten jedoch ein theoretisches Modell der Organisation eines Nahrungsnetzes, das allgemein gültig zu sein scheint (Nature vom 9. März 2000).

Die Wissenschaftler gingen davon aus, dass sich komplizierte Nahrungsnetze aus einer gewissen 'Hackordnung' der Arten untereinander – wer frisst wen – herausbilden. Sie stellten daher zwei Regeln auf: Zum einen sollten Organismen, die auf einer höheren Stufe in dieser Hackordnung stehen, sich eher von untergeordneten Lebewesen ernähren als von ihresgleichen oder sogar übergeordneten. Das ist nachvollziehbar, denn Löwen ernähren sich von Zebras, aber Zebras nicht von Löwen. Weiterhin sollten sich Arten, die sich Beutetiere verschiedener Größenordnungen einverleiben, auch die 'dazwischenliegenden' Vertreter schmecken lassen. Wiederum ein Beispiel: Wölfe reißen sowohl Hirsche als auch Mäuse. Dem Modell gemäß fressen sie so auch mittelgroße Herbivoren wie zum Beispiel Kaninchen. Die Forscher bezeichnen ihren Ansatz als 'Nischenmodell', in Anlehnung an die Voraussetzung, dass jede trophische Spezies – also eine Gruppe von Arten, welche dieselben Räuber und Beutetiere aufweist, wie zum Beispiel einige Echsen – einer Nische zuzuordnen sind.

Martinez und Williams testeten ihre Annahmen an sieben der komplexesten Nahrungsnetze aus der Literatur – von Ästuaren über Wüsten bis hin zu Seen und Inseln. Dazu gehörte auch der Little Rock Lake, dessen umfangreiches Nahrungsnetz mit am besten untersucht ist. Allein über die Artenzahl und die Verknüpfungen im Nahrungsnetz waren die Forscher in der Lage, die strukturellen Eigenschaften jedes einzelnen Netzes vorherzusagen. "Es stellte sich heraus, dass das Modell computerberechnete Nahrungsnetze lieferte, die erstaunlich nah an die realen Nahrungsnetzen herankamen, die wir aus vertieften Feldstudien entwickelt haben", erläutert Martinez.

Der Unterschied des Nischenmodells zu anderen, derzeit gängigen Vorstellungen ist, dass es in der Lage sein soll, zwölf Charakteristika, wie zum Beispiel die Länge der Nahrungsketten, die Anzahl an Allesfressern und Kannibalen, die Verteilung von Spezialisten und Generalisten sowie die Verwundbarkeit der einzelnen Arten genau zu bestimmen. Im Gegensatz zu dem verbreiteten Pyramidenmodell war das Nischenmodell sehr viel besser in der Lage, die strukturellen Eigenheiten einzelner Systeme aufzudecken.

Mit einem entsprechenden Programm erstellten die Wissenschaftler sogar dreidimensionale Farbabbildungen des Gefüges aus Produzenten und Konsumenten.

"Die Tatsache, dass das Modell vernünftig die Eigenschaften von so verschiedenen Systemen wie Seen, Flussmündungen, einer karibischen Insel und einer Wüste vorhersagen kann, lässt schließen, dass hier sehr grundlegende Ähnlichkeiten zwischen diesen sehr unterschiedlichen Ökosystemen vorliegen", meint Williams. Und er fügt hinzu, dass ihr Programm auch zur Erforschung von Populationsdynamik oder Artenschwund eingesetzt werden kann.

Bei Eric Berlow von der University of California in Berkeley findet er Unterstützung: "Es ist faszinierend, dass ein so einfaches Modell so viele der topologischen Eigenschaften von komplexen natürlichen Gemeinschaften auf den Punkt bringt. Wenn wir in der Lage sind, zufällig konstruierte Nahrungsnetze mit realistischen Merkmalen einfach zu simulieren, öffnet die Tür zu umfangreicheren theoretischen Untersuchungen über die Auswirkungen des Biodiversitätrückgangs in komplexen Netzen."

Martinez warnt aber vor verfrühter Hoffnung auf ein Naturgesetz der Ökologie. Bis es als allgemein gültige Regel angesehen werden kann, müssten sie erst noch weitere Tests durchführen. "Obwohl es nicht so einfach oder genau ist wie zum Beispiel ein grundlegendes Gesetz der Physik – Kraft ist gleich Masse mal Beschleunigung –, bietet das Nischenmodell die selbe Art von allgemeinem Gerüst, mit dem man komplexe natürliche Systeme verstehen kann: Man füttert das allgemeine Modell mit den spezifischen Vorgaben, und es liefert einem bemerkenswert genaue Vorhersagen."

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 24.1.2000
" Erfolgreiche Planktonprognose"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum Ticker vom 7.7.1999
"Segen und Fluch aus der Luft"

Der Heidelberger Verlag Spektrum der Wissenschaft ist Betreiber dieses Portals. Seine Online- und Print-Magazine, darunter »Spektrum der Wissenschaft«, »Gehirn&Geist« und »Spektrum – Die Woche«, berichten über aktuelle Erkenntnisse aus der Forschung.