Vorhersageberechnung stabiler Bestäuber-Pflanzen-Netzwerke

  • Veröffentlicht am: 27.02.2018
Foto: geralt/Pixabay, CC0

Ein bekanntes Beispiele für einen Umkehrpunkt ist etwa der Siedepunkt von Wasser, wenn es zu kochen beginnt oder wenn eine Substanz von einem Feststoff in den flüssigen Zustand übergeht.

Komplexe vernetzte Systeme gibt es in der Natur in Ökosystemen oder beim Erdklima, aber ebenso bei wirtschaftlichen, sozialen und infrastrukturellen Systemen – beispielsweise dem Stromnetz. Umkehrpunkte oder „Phasenänderungen“ stellen sich ein, wenn die Komponenten eines Systems auf eine abweichende Weise interagieren, was sich in einer plötzlichen Verschiebung des systemweiten Verhaltens manifestiert.

Ein Team von Wissenschaftlern aus China, Großbritannien und den USA hat im Rahmen einer Studie aus der Beobachtung von 59 empirischen Bestäuber-Pflanzen-Netzwerken aus unterschiedlichen Kontinenten und Klimazonen ein Modellsystem entwickelt, mit dessen Hilfe der Umkehrpunkt in jedem Netzwerk genau vorhersagt werden kann. Es ist selbst gegen zufällige Störungen sicher.

In einem Bestäuber-Pflanzen-Netzwerk ist ein Umkehrpunkt der kritische Wert eines bestimmten Parameters, etwa der Anzahl der aus einem Ökosystem verschwundenen Bienenarten oder die Sterblichkeitsrate von Bienen, bei der die Populationen aller Bienen- und Pflanzenarten schließlich abrupt gegen Null abfallen.
Der gleichzeitige Zusammenbruch aller Bienen- und Pflanzenpopulationen ist dann quasi unausweichlich, weil sie alle miteinander verbunden sind und auf höchst nichtlineare Weise miteinander interagieren.

Durch die Vorhersage derartiger Wendepunkte lassen sich Strategien entwickeln, um ihr Auftreten zu verzögern oder sogar ganz zu verhindern. Als Beispiele sehen die Wissenschaftler das Konzentrieren von Erhaltungsmaßnahmen auf eine bestimmte Bienenart oder sogar deren gezielte Einführung, um ihre Population auf einem konstanten Niveau zu halten. Ebenso wäre es möglich, den Einsatz von Pestiziden zu verbieten, unter der diese Bienenart besonders leidet.

Das von den Forschern vereinfachte Modell kann als ein Paradigma für das Verstehen und Vorhersagen der Umkehrpunktdynamik in der realen Welt zum Schutz von Bestäubern eingesetzt werden. Es ist prinzipiell breit anwendbar, um Probleme der Resilienz und Nachhaltigkeit in anderen Disziplinen der Wissenschaft und Technik anzugehen.

Literaturstelle: 

Junjie Jiang, Zi-Gang Huang, Thomas P. Seager, Wei Lin, Celso Grebogi, Alan Hastings, Ying-Cheng Lai. Predicting tipping points in mutualistic networks through dimension reduction. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018; 201714958 DOI: 10.1073/pnas.1714958115

Die Studie ist in vollem Umfang frei zugänglich (Open Access).
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