Einleitung
Vor mehr als vier Jahrzehnten machten sich Feldökologen daran, die Vielfalt der Bäume auf einem Waldstück auf der Insel Barro Colorado in Panama zu quantifizieren, einem der am intensivsten untersuchten Waldgebiete der Welt. Sie begannen, jeden Baum zu zählen, dessen Stamm breiter als einen Zentimeter war. Sie identifizierten die Arten, vermaßen die Stämme und berechneten die Biomasse jedes Individuums. Sie stellten Leitern an die Bäume, untersuchten Setzlinge und zeichneten alles auf umfangreiche Tabellenkalkulationen.
Als sie sich die Jahr für Jahr ansammelnden Daten ansahen, bemerkten sie etwas Seltsames darin. Mit mehr als 300 Arten war die Baumvielfalt auf der winzigen 15 Quadratkilometer großen Insel atemberaubend. Aber auch die Verteilung der Bäume unter diesen Arten war stark ungleichmäßig, da die meisten Bäume nur wenigen Arten angehörten.
Seit diesen frühen Studien wurde dieses überfüllte, äußerst ungleichmäßige Muster wiederholt in Ökosystemen auf der ganzen Welt beobachtet, insbesondere in Regenwäldern. Der Ökologe Stefan Hubbell von der University of California, Los Angeles, der Teil des Teams hinter den Barro-Colorado-Umfragen war, schätzt, dass weniger als 2 % der Baumarten im Amazonasgebiet die Hälfte aller Einzelbäume ausmachen, was bedeutet, dass 98 % der Arten ausmachen sind selten.
Eine solch hohe Artenvielfalt steht im Widerspruch zu den Vorhersagen einer führenden Ökologietheorie, die besagt, dass in einem stabilen Ökosystem jede Nische oder Rolle von einer Art besetzt sein sollte. Nischentheorie deutet darauf hin, dass es nicht genügend Nischen gibt, um allen Arten, die die Ökologen gesehen haben, eine stabile Existenz zu ermöglichen. Der Wettbewerb um Nischen zwischen ähnlichen Arten hätte die Raritäten zum Aussterben bringen sollen.
Neue ökologisches Modellierpapier in Natur by James O'Dwyer und Kenneth Jops Urbana-Champaign von der University of Illinois erklärt zumindest einen Teil dieser Diskrepanz. Sie fanden heraus, dass Arten, die scheinbar Kopf-an-Kopf-Konkurrenten sein sollten, ein Ökosystem teilen können, wenn Details ihrer Lebensgeschichte – etwa wie lange sie leben und wie viele Nachkommen sie haben – richtig übereinstimmen. Ihre Arbeit hilft auch zu erklären, warum eine der erfolgreichsten Methoden zur Modellierung von Ökologien oft zu genauen Ergebnissen führt, obwohl sie fast alles, was wir über die Funktionsweise von Organismen wissen, beschönigt.
Einleitung
Im Jahr 2001 inspirierte Hubbell die paradox hohe Artenvielfalt auf Barro Colorado Island vorschlagen der Spatenstich neutrale Theorie der Ökologie. Die traditionelle Ökologietheorie betonte den Wettbewerb um Nischen zwischen Arten. Aber Hubbell wies darauf hin, dass Arten in dieser Gleichung möglicherweise keine Rolle spielen, da Individuen tatsächlich auch mit Mitgliedern ihrer eigenen Art um Ressourcen konkurrieren. Er schlug vor, dass Diversitätsmuster in Ökosystemen größtenteils das Ergebnis zufälliger Prozesse sein könnten.
Für eine Theorie, die sich mit Biodiversität befasste, war Hubbells neutrale Theorie dürftig. Es ignorierte Unterschiede in der Lebensspanne, Ernährungsmerkmale und andere Details, die eine Art von einer anderen unterscheiden. In theoriebasierten Modellen ist jedes Individuum in einem theoretischen Ökosystem identisch. Sobald die Uhr beginnt, entwickelt sich das Ökosystem stochastisch, wobei Individuen nach dem Zufallsprinzip gegeneinander antreten und einander ersetzen. Die Theorie stand im völligen Widerspruch zu artenbasierten Ansätzen in der Ökologie und löste eine leidenschaftliche Debatte unter Ökologen aus, weil sie so kontraintuitiv schien.
Überraschenderweise reproduzierten die Zufallswanderungen in den neutralen Modellen jedoch mit fortschreitendem Verlauf wichtige Merkmale dessen, was Hubbell und seine Kollegen in ihren Daten von Barro Colorado Island sahen und was andere anderswo gesehen hatten. In dieser Modellierung, die fast perverserweise keine Unterschiede anerkennt, gibt es Blitze der realen Welt.
Diese Spannung zwischen den Modellen und der Realität interessiert O'Dwyer seit langem. Warum schien die neutrale Theorie so gut zu funktionieren? Gab es eine Möglichkeit, Informationen über die Funktionsweise von Arten einzubringen, um Ergebnisse zu erzielen, die möglicherweise noch realistischer aussehen?
Eines der Dinge, die neutrale Modelle attraktiv machen, ist laut O'Dwyer, dass es sie tatsächlich gibt tiefe Universalitäten unter vielen Lebewesen. Auch wenn die Tierarten nicht identisch sind, ähneln sie doch bemerkenswert ähnlich, beispielsweise auf der Ebene des Kreislaufsystems. Die gleichen physiologischen Zahlen tauchen immer wieder bei Tieren und Pflanzen auf, was möglicherweise die Zwänge ihrer gemeinsamen Evolutionsgeschichte widerspiegelt. Nach einem Prinzip namens Kleibersches Gesetz steigt beispielsweise die Stoffwechselrate eines Tieres im Allgemeinen mit seiner Größe und skaliert als Potenzgesetz – das gleiche Potenzgesetz, unabhängig von der Art. (Es wurden mehrere Theorien darüber aufgestellt, warum Kleibers Gesetz wahr ist, aber die Antwort wird immer noch diskutiert.)
Angesichts dieser Anzeichen einer zugrunde liegenden Ordnung fragte sich O'Dwyer, ob einige Details der Lebensweise von Organismen wichtiger sind als andere, um zu bestimmen, wie erfolgreich Arten im Laufe der Evolution konkurrieren und überleben werden. Nehmen wir noch einmal den Stoffwechsel: Wenn ein Ökosystem als Ausdruck des Stoffwechsels seiner Bewohner betrachtet werden kann, dann sind die Größen der Organismen besondere, signifikante Zahlen. Die Größe eines Individuums kann bei der Modellierung seines Schicksals im Laufe der Zeit nützlicher sein als alle anderen Details zu seiner Ernährung oder Artidentität.
O'Dwyer fragte sich, ob einer dieser entscheidenden, privilegierten Faktoren durch die Lebensgeschichte erfasst werden könnte, ein Konzept, das Artenstatistiken wie die durchschnittliche Anzahl der Nachkommen, die Zeit bis zur Geschlechtsreife und die Lebensspanne kombiniert. Stellen Sie sich ein Grundstück mit 50 Einzelpflanzen vor. Jedes hat seine eigene Lebensspanne, sein eigenes Fortpflanzungsmuster. Nach drei Monaten könnte eine Pflanze 100 Samen produzieren, während eine andere ähnliche Pflanze 88 produziert. Vielleicht keimen 80 % ihrer Samen und bringen die nächste Generation hervor, die ihre eigene Version dieses Zyklus durchläuft. Sogar innerhalb einer Art schwankt die Anzahl einzelner Pflanzen, manchmal geringfügig, manchmal stark, ein Phänomen, das als demografisches Rauschen bezeichnet wird. Wenn diese Variation zufällig ist, im Sinne von Hubbells neutraler Theorie, welche Muster werden sich dann über aufeinanderfolgende Generationen herausbilden?
Als Jops als Doktorand in sein Labor kam, wusste O'Dwyer, dass er jemanden gefunden hatte, der ihm bei der Erforschung dieser Frage helfen konnte. Jops hatte zuvor untersucht, ob Modelle, die Lebensgeschichten nutzen, vorhersagen könnten, ob eine gefährdete Pflanzenart überleben würde oder ob sie im Aussterben begriffen sei. Gemeinsam begannen sie, die Mathematik auszuarbeiten, die beschreiben würde, was passiert, wenn Lebensgeschichte auf Konkurrenz trifft.
Im Modell von Jops und O'Dwyer ist, wie auch in den neutralen Modellen, die Stochastizität – der Einfluss zufälliger Faktoren auf deterministische Interaktionen zwischen den Arten – wichtig. Die Lebensgeschichte von Arten kann jedoch die Auswirkungen dieser Zufälligkeit verstärken oder abschwächen. „Die Lebensgeschichte ist eine Art Linse, durch die demografischer Lärm wirkt“, sagte O'Dwyer.
Als die Forscher ihr Modell im Laufe der Zeit weiterentwickeln ließen und jedes simulierte Individuum auf Herz und Nieren prüften, stellten sie fest, dass bestimmte Arten über lange Zeiträume nebeneinander bestehen konnten, obwohl sie um dieselben Ressourcen konkurrierten. Jops und O'Dwyer untersuchten die Zahlen genauer und stellten fest, dass ein komplexer Begriff namens „effektive Populationsgröße“ nützlich schien, um eine Art Komplementarität zu beschreiben, die zwischen Arten bestehen könnte. Darin wurde die Tatsache zusammengefasst, dass eine Art an einem Punkt ihres Lebenszyklus eine hohe Sterblichkeit und an einem anderen Punkt eine niedrige Sterblichkeit aufweisen kann, während eine komplementäre Art am ersten Punkt eine niedrige Sterblichkeit und am zweiten eine hohe Sterblichkeit aufweisen kann. Je ähnlicher dieser Begriff für zwei Arten war, desto wahrscheinlicher war es, dass ein Paar trotz Konkurrenz um Platz und Nahrung nebeneinander leben konnte.
„Sie erleben demografischen Lärm mit der gleichen Amplitude“, sagte O'Dwyer. „Das ist der Schlüssel für ein langes Zusammenleben.“
Einleitung
Die Forscher fragten sich, ob in der realen Welt ähnliche Muster vorherrschen. Sie haben darauf zurückgegriffen COMPADRE-Datenbank, das Einzelheiten zu Tausenden von Pflanzen-, Pilz- und Bakterienarten enthält, die aus verschiedenen Studien und Quellen stammen, und sich dabei auf mehrjährige Pflanzen konzentrierte, die alle zusammen auf denselben Forschungsflächen lebten. Sie entdeckten, dass die zusammenlebenden Pflanzenarten, wie ihr Modell vorhergesagt hatte, eine sehr ähnliche Lebensgeschichte hatten: Paare von Arten, die im selben Ökosystem leben, neigen dazu, sich besser zu ergänzen als zufällig ausgewählte Paare.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, wie Arten, die nicht unbedingt in direkter Konkurrenz stehen, gut nebeneinander funktionieren könnten, ohne unterschiedliche Nischen zu beanspruchen, sagte er Annette Östling, Professor für Biologie an der University of Texas, Austin. „Das Coolste daran ist, dass sie hervorheben, dass sich diese Ideen … auf Arten erstrecken können, die ziemlich unterschiedlich, aber komplementär sind“, sagte sie.
Zu William Kunin, Professor für Ökologie an der University of Leeds in England, schlägt in der Arbeit einen Grund vor, warum die natürliche Welt trotz ihrer Komplexität einem neutralen Modell ähneln kann: Ökologische Prozesse können sich gegenseitig aufheben, so dass das, was scheint Als ob endlose Vielfalt ein einfaches Ergebnis haben kann, beschrieb er es als „aufkommende Neutralität“. Hubbell seinerseits schätzt die Erweiterung seiner ursprünglichen Arbeit. „Es bietet einige Überlegungen dazu, wie man neutrale Modelle verallgemeinert, sie optimiert, um ein wenig Artenunterschiede einzubauen, sie zu erweitern und zu verkleinern, um zu sehen, was mit der Vielfalt in einer lokalen Gemeinschaft passiert“, sagte er.
Dies ist jedoch nur ein Teil des Problems, zu verstehen, wie Artenvielfalt entsteht und warum sie fortbesteht. „In der Ökologie kämpfen wir mit der Beziehung zwischen Muster und Prozess. Viele verschiedene Prozesse können das gleiche Muster erzeugen“, sagte Ostling. O'Dwyer hofft, dass in den kommenden Jahren mehr Daten über die reale Welt den Forschern dabei helfen können, herauszufinden, ob die effektive Bevölkerungsgröße konsistent in der Lage ist, das Zusammenleben zu erklären.
Kunin hofft, dass das Papier andere dazu inspirieren wird, weiterhin mit Ideen aus der neutralen Theorie zu arbeiten. In einem Bereich, in dem seit langem die einzigartigen Qualitäten von Individuen und nicht ihre Gemeinsamkeiten vorherrschen, hat eine neutrale Theorie Ökologen dazu gezwungen, kreativ zu sein. „Es hat uns aus unseren mentalen Trotts gerissen und uns dazu gebracht, darüber nachzudenken, welche Dinge wirklich wichtig sind“, sagte er.
Hubbell, der vor so vielen Jahren eine neutrale Ökologietheorie auf den Weg gebracht hat, fragt sich, ob wirklich riesige Datensätze über echte Wälder die Art von Details liefern könnten, die nötig sind, um den Zusammenhang zwischen Lebensgeschichte und Biodiversität klarer zu machen. „Das ist die Art Aufbau auf neutraler Theorie, von der ich gehofft hatte“, sagte er über das neue Papier. „Aber es ist nur ein kleiner Schritt hin zu einem wirklichen Verständnis der Vielfalt.“
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