Becker, Lara (2022)
Effekte intrinsischen Rauschens auf die Dynamik und Assemblierung chemischer und ökologischer Netzwerke.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00021451
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Intrinsisches Rauschen prägt das Verhalten komplexer Systeme auf allen Ebenen der Biologie, von der Genexpression in den Zellen von Lebewesen bis hin zur Dynamik von Populationen in der Ökologie. Trotz der Bedeutung, von der intrinsisches Rauschen für die zeitliche Entwicklung dieser in Gestalt von Netzwerken formalisierbaren Systeme sein kann, gestaltet sich die Vorhersage seiner Auswirkungen auf die Dynamik von chemischen Reaktionsnetzwerken sowie die Dynamik und Formierung (Assemblierung) von Speziesinteraktionsnetzwerken herausfordernd.

In jüngster Zeit wurde eine Methode entwickelt, die die Analyse stationärer Wahrscheinlichkeitsdichten chemischer Reaktionsnetzwerke auf Basis des Konvektionsfeldes, eines aus der chemischen Fokker-Planck-Gleichung abgeleiteten Vektorfeldes, erlaubt. Bisher wurde nicht systematisch untersucht, inwieweit das Konvektionsfeld zuverlässige Vorhersagen zur Gestalt stationärer Wahrscheinlichkeitsdichten chemischer Reaktionsnetzwerke liefert, wenn diese Vorhersagen qualitativ von jenen deterministischer Beschreibungsformen abweichen. Dies wurde im ersten Teil der vorliegenden Dissertation für chemische Reaktionsnetzwerke mit einer sowie mit zwei molekularen Spezies anhand von aus dem Konvektionsfeld abgeleiteten stochastischen Stabilitätsdiagrammen sowie stochastischen Simulationen geprüft. Es wurden sowohl chemische Reaktionsnetzwerke mit einer als auch mit zwei molekularen Spezies gefunden, für die das Konvektionsfeld keine korrekte Beschreibung der Charakteristika der stationären Wahrscheinlichkeitsdichten liefert. Diese Beispiele sind die ersten derartigen beschriebenen Fälle.

Bisherige theoretische Untersuchungen der Assemblierung ökologischer Gemeinschaften hatten zumeist Netzwerke antagonistischer Speziesinteraktionen zum Gegenstand und berücksichtigten das intrinsische Rauschen von Populationen nur selten. Im zweiten Teil dieser Dissertation wurde daher am Beispiel von Pflanzen-Bestäuber-Netzwerken ein mechanistisches Modell für die Assemblierung mutualistischer Speziesinteraktionsnetzwerke entwickelt und für dieses untersucht, wie sich die Struktur und Spezieszusammensetzung der Netzwerke im Laufe der Assemblierung verändern und wie intrinsisches Rauschen diesen Prozess beeinflusst. Ein wesentlicher Bestandteil des Modells ist dabei die Festlegung von Speziesinteraktionen anhand von Speziesmerkmalen, d. h. Trait-Matching. Das Modell produziert in Einklang mit der Intermediate Disturbance Hypothesis parameterabhängig unimodale Verläufe der Anzahl an Spezies in den Netzwerken und, in Anwesenheit intrinsischen Rauschens, Netzwerke, in denen generalistische und spezialisierte Spezies langfristig koexistieren. Die Ergebnisse sind unter ökologisch plausiblen Bedingungen gegenüber der Beschreibung von Spezies durch zusätzliche Merkmale sowie der Variation von Parametern robust. Das vorgestellte Modell erlaubt es, ein Verständnis dafür zu entwickeln, wie das Zusammenspiel von stochastischer Immigration, Speziesmerkmalen und verrauschter Populationsdynamik die Struktur und Spezieszusammensetzung von Pflanzen-Bestäuber-Netzwerken im Laufe der Assemblierung beeinflusst. Damit bietet es eine Grundlage für weitere Untersuchungen dazu, wie Speziesmerkmale sowie verschiedene Prozesse die Assemblierung von Speziesinteraktionsnetzwerken prägen.

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