Typisch für viele Ökosysteme sind sogenannte Schlüsselarten

In den letzten Jahrzehnten haben sich viele Wissenschaftler mit Fragen zur Multistabilität beschäftigt. Dirk Brockmann kennt die Fragen: „Warum ist ein Ökosystem stabil? Unter welchen Bedingungen? Und: Gibt es vielleicht wie bei den Genregulationsnetzwerken verschiedene stabile Zustände?“ Um sie zu beantworten, wurden viele Modelle entwickelt. Einfache Ökosystem-Modelle beschreiben x-verschiedene Arten, die auf irgendeine Weise miteinander wechselwirken. Manche Arten beeinflussen sich gegenseitig positiv – Mutualismus – oder negativ – Konkurrenz. Bei anderen ist der Einfluss positiv in die eine und negativ in die andere Richtung. Wendet man diese Konzepte auf die Dynamik eines Modell-Ökosystems an, zeigt sich, dass verschiedene stabile Endzustände existieren können, es halten jeweils verschiedene Arten das Gleichgewicht. Der Zustand beschreibt die Häufigkeiten der verschiedenen Arten im Gleichgewicht. Der Komplexitätswissenschaftler Dirk Brockmann ist Professor am Institut für Biologie der Berliner Humboldt-Universität.

Ein Ökosystem kann sehr schnell seine Artenzusammensetzung verändern

Stört man das System, indem man die Häufigkeit einer Art etwas verändert, kehrt es automatisch in den stabilen Zustand zurück. Dirk Brockmann ergänzt: „Ist eine äußere Störung allerdings zu stark, zum Beispiel, weil eine neue Art in das System einwandert oder eine existierende Art – zum Beispiel von uns Menschen – sehr dezimiert wird, kann das System plötzlich und unerwartet in einen anderen stabilen Zustand kippen.“ Typisch für viele Ökosysteme sind sogenannte Schlüsselarten.

Werden diese dezimiert oder eliminiert, wirkt sich das auf die Häufigkeit verschiedener Arten aus. Dirk Brockmann weiß: „Ein Ökosystem kann sehr schnell seine komplette Artenzusammensetzung verändern. Typischerweise ist das mit einem starken Rückgang in der Artenvielfalt verbunden.“ Die Multistabilität und die möglichen Gleichgewichtszustände eines Ökosystems lassen sich in mathematischen Modellen einfach und systematisch analysieren. Viel schwieriger ist das natürlich in realen Ökosystemen, weil man normalerweise nur einen Gleichgewichtszustand erlebt.

Seen sind entweder klar oder trüb

Man weiß also so gut wie nie, welche anderen Artenzusammensetzungen ebenfalls möglich wären. Aber ein paar illustrative Beispiele gibt es doch, welche in den Modellen prognostizierte Multistabilität auch in realen Systemen belegen. Dirk Brockmann schreibt: „Vielleicht haben Sie schon einmal beobachtet, dass ein kleiner oder großer See in Ihren Nachbarschaft ganz unterschiedlich aussehen kann.“ In einem Jahr ist sein Wasser klar, in anderen Jahren ganz trüb.“

In der Tat weiß man, dass Seen genau diese beiden sehr unterschiedlichen stabilen Gleichgewichtszustände haben können: entweder klar oder trüb. Dirk Brockmann erläutert: „Im Klarwasserzustand bekommen die Pflanzen genug Licht und wachsen, was mehr Wasserflöhen Schutz bietet, die wiederum genügend Algen, die sonst den See trüben würden, fressen.“ Erhöht man langsam das Nahrungsmittelangebot – zum Beispiel durch Fütterung von Enten – vermehren sich Fische stärker und fressen viele Wasserflöhe, Algen breiten sich aus, der See trübt sich, die Pflanzen sterben, weniger Wasserflöhe finden Schutz und noch mehr Algen entstehen. So kann ein See umkippen. Quelle: „Im Wald vor lauter Bäumen“ von Dirk Brockmann

Von Hans Klumbies