Selbstorganisation und Kritikalität in räumlich gekoppelten Ökosystemen

• Antragsteller: Dr. Jonas Denk
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445916943

Ökologische Systeme verrichten wichtige Aufgaben in allen Bereichen der Natur, sei es im Boden oder im Menschen. Theoretische und experimentelle Studien brachten wichtige Erkenntnisse über die Stabilität von Ökosystemen in Abhängigkeit der Interaktion zwischen einzelner Spezien. Zusätzlich zu diesen Interaktionen unterliegen Populationsgrößen demographischen Fluktuationen, was zu stochastischem Aussterben von Spezien führt. Um dieses Aussterben auszugleichen setzen ökologische Theorien oft eine Immigration von einem statischen externen Reservoir an Spezien voraus. Diese Annahme half zu einem besseren Verständnis genetischer Diversität auf 'Inseln' (Lebensräumen) mit Kopplung zu einem Festland mit (unendlich) schneller Relaxation. Jedoch ist sie nicht mehr geeignet sobald sich gekoppelte Inseln auf ähnlichen Zeitskalen verändern, wie in vielen natürlich vorkommenden räumlich ausgedehnten Ökosystemen. In diesem Fall ist Migration zwischen Inseln ein selbst-organisierter Prozess. Insbesondere wenn viele konkurrierende Spezien koexistieren und dadurch Populationszahlen niedrig und stochastisches Aussterben wahrscheinlich werden, können die Details der Migration für deren Rolle im Ausgleich stochastischen Aussterbens entscheidend sein. Mein allgemeines Forschungsziel für die kommenden zwei Jahre ist die Entwicklung eines mathematisch und experimentell fundierten Verständnisses der Selbstorganisation in räumlich gekoppelten Ökosystemen. Insbesondere werde ich das Zwischenspiel von Interaktionen, demographischen Fluktuationen und räumlicher Kopplung auf verschiedenen Längenskalen untersuchen, von globaler Migration, über langreichweitige Dispersion bis hin zu kurzreichweitiger Diffusion. Basierend auf einem mathematischen Selbstkonsistenz-Ansatz und numerischen Simulationen, deuten meine ersten Ergebnisse bereits auf interessante Relationen zwischen Kopplungsstärke und Diversität hin, sowie auf einen Prozess der selbst-organisierten Kritikalität. Dieser Selbst-Konsistenz Ansatz bildet eine ideale Basis um allgemeine Eigenschaften von Ökosystemen mit globaler Kopplung zu untersuchen (Aim 1). Parallel zu meinen mathematischen Studien werde ich gekoppelte Ökosysteme in Experimenten mit Mikroben (Escherichia coli Varianten, vorhanden im Hallatschek Labor) und Kopplungen auf verschiedenen Längenskalen durchführen. In der zweiten Phase meines Projektes fokussiere ich mich auf kurzreichweitige Kopplung wie sie in diffusiven Systemen auftritt (Aim 2). Hier plane ich Studien universeller Gleichgewichts-Eigenschaften diffusiv gekoppelter Ökosysteme im Kontext der Perkolationstheorie, sowie Nichtgleichgewichtsphänomene, wie zB. räumliche Ausbreitung, in Theorie und Experiment. Um mittlere Längenskalen zu adressieren, werde ich langreichweitige Kopplung auf verschiedenen Längenskalen, basierend auf realistischen Dispersionsverteilungen, untersuchen (Aim 3).

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Oskar Hallatschek