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

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die ökologische Dynamik einer Gemeinschaft wird durch das Zusammenspiel zahlreicher Faktoren bestimmt, darunter Wechselwirkungen zwischen und innerhalb von Arten, Mutationen und Migration. Die Suche nach aussagekräftigen theoretischen Modellen für den Aufbau und die Stabilität von Ökosystemen wird durch die überwältigende Anzahl von Arten, die typischerweise in natürlichen Ökosystemen vorkommen, zusätzlich erschwert. Eines meiner wichtigsten Forschungsziele als DFG-Stipendiat war die Entwicklung eines mathematischen Ansatzes zur Untersuchung des Selbstorganisationsprozesses von artenreichen Metagemeinschaften. Ich entwickelte eine mathematische Theorie zur Untersuchung von Metagemeinschaften aus (unendlich) vielen Arten, die ich auf verschiedene ökologisch relevante Szenarien, einschließlich konkurrierender und mutualistischer Interaktionen zwischen Arten, anwendete. Auf der Grundlage meiner kombinierten analytischen und numerischen Lösungen dieser Theorie war ich in der Lage, Schlüsselmechanismen abzuleiten, die es mir ermöglichten, Vorhersagen über charakteristische Muster und die Dynamik in räumlich ausgedehnten Metagemeinschaften zu treffen. Zusätzlich zur ökologischen Dynamik von Metagemeinschaften habe ich umfangreiche Untersuchungen über die Wechselwirkung zwischen evolutionären Prozessen und ökologischer Dynamik in Gemeinschaften von E.coli durchgeführt. Mittels genetischer Untersuchungen und täglicher Verdünnungsexperimente verschiedener E.coli-Stämme konnte ich Diversifizierungsereignisse charakterisieren, bei denen sich ein E.coli-Stamm in zwei Phänotypen diversifizierte, die aufgrund der Struktur ihrer unterschiedlichen Phasen während des Populationswachstums auf symbiotische Weise miteinander interagieren. Zusammenfassend kann ich sagen, dass ich während meiner Zeit als DFG-Stipendiat die Auswirkungen ökologischer und evolutionsbedingter Faktoren auf komplexe ökologische Systeme untersucht habe und einen wichtigen Beitrag zu einem besseren Verständnis von Ökosystemen, einschließlich ihrer Manipulation und Erhaltung, leisten konnte.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Chaos may lurk under a cloak of neutrality. Proceedings of the National Academy of Sciences, 117(28), 16104-16106.
  Denk, Jonas; Martis, Stephen & Hallatschek, Oskar
  
• Self-consistent dispersal puts tight constraints on the spatiotemporal organization of species-rich metacommunities. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(26).
  Denk, Jonas & Hallatschek, Oskar
  
• Rediversification following ecotype isolation reveals hidden adaptive potential. Current Biology, 34(4), 855-867.e6.
  Ascensao, Joao A.; Denk, Jonas; Lok, Kristen; Yu, QinQin; Wetmore, Kelly M. & Hallatschek, Oskar
  
• Tipping points emerge from weak mutualism in metacommunities. PLOS Computational Biology, 20(3), e1011899.
  Denk, Jonas & Hallatschek, Oskar