Mathematisches Frühwarnsystem soll über Artensterben informieren

In den kommenden Jahrzehnten könnte eine Kettenreaktion des Aussterbens zu einem massiven Verlust an Wirbeltieren führen, wie eine Modellrechnung zeigt. Bis zum Jahr 2050 könnten demnach ungefähr zehn Prozent aller Wirbeltierarten, bis 2100 sogar ein Viertel davon aussterben. Viele dieser Tierarten sind wichtig für das Ökosystem. Physiker haben jetzt ein Frühwarnsystem entwickelt, mit dem sich Arten identifizieren lassen, deren Verschwinden fatale Auswirkungen auf das gesamte Ökosystem hätte. Das neue Modell ist ein vielversprechender Beitrag zum Naturschutz.

Analyse von Arten, die am stärksten vom Aussterben bedroht sind

Schätzungen zufolge sterben täglich 130 bis 150 Arten aus, teilweise, bevor sie von Forschern überhaupt entdeckt werden konnten. Das Artensterben ist am gravierendsten, wenn es sich um Schlüsselarten handelt. Wenn eine solche Schlüsselart ausstirbt, können in der Folge noch viele weitere Arten aussterben und unwiederbringlich verloren gehen. Diesen weiteren aussterbenden Arten fehlt die Nahrungsgrundlage oder eine konkurrierende Art gewinnt die Oberhand.

Physiker des Complexity Science Hub, einem Zusammenschluss von mehreren österreichischen Universitäten und Institutionen zur Erforschung von komplexen Systemen, haben jetzt eine neue Analysemethode entwickelt.

Diese Methode hilft dabei, die am stärksten vom Aussterben bedrohten Arten frühzeitig zu ermitteln. In der Fachzeitschrift „Chaos, Solitons & Fractals“ stellten die Forscher ihr Frühwarnsystem vor.

Druck auf die Ökosysteme nimmt zu

Weltweit geraten die Ökosysteme immer stärker unter Druck, da Lebensräume übernutzt werden und verloren gehen. Auch der Klimawandel und die damit verbundene Erderwärmung tragen zum Artensterben bei.

Die Forscher sind gefordert und benötigen bessere Instrumente, um die ökologische Rolle der verschiedenen Arten darzustellen und deren Gefährdung zu messen und zu kartieren. So könnten bedrohte Schlüsselarten bereits frühzeitig ermittelt werden. Die vorhandenen Ressourcen und die Schutzmaßnahmen könnten auf dieser Grundlage gezielt dort angewendet werden, wo sie am nötigsten sind.

Werte für jede Art vergeben

Für jede Art vergaben die Studienautoren die beiden Werte Wichtigkeit und Robustheit. Die Wichtigkeit einer Art informiert darüber, für wie viele andere Arten diese Art als Nahrungsquelle von Bedeutung ist. Die Robustheit einer Art drückt aus, welche Überlebenschancen eine Art hat, abhängig davon, wie erfolgreich und flexibel diese Art bei der Nahrungssuche ist.

Mit der zweidimensionalen Kartierung gelingt es den Forschern, die Schlüsselarten und die verborgene Verwundbarkeit der Arten aufzuzeigen. Emanuele Calò von der IMT School for Advanced Studies in Lucca in Italien ist Erstautor der Studie und spricht davon, dass es den Forschern gelungen ist, die ökologische Rolle der Arten anhand von Netzwerkdaten vollständig zu rekonstruieren. Im Grunde wären dazu keine biologischen Kenntnisse der Forscher notwendig gewesen.

Die Methode scheint daher gut geeignet zu sein für großangelegte Bewertungen des Managements von Ökosystemen und der biologischen Vielfalt. Das ist vor allem in Regionen bedeutend, in denen nur wenige detaillierte Feldstudien vorliegen oder das ökologische Fachwissen begrenzt ist.

Zypressensümpfe in der Bucht von Florida als Forschungsobjekt

Beispielhaft analysierten die Physiker in ihrer Studie das Nahrungsnetz der Zypressensümpfe in der Bucht von Florida. Sie identifizierten Phytoplankton als zentrale und wichtige Säule im Ökosystem. Weiterhin ermittelten die Forscher Alligatoren als außerordentlich robuste Art. Alligatoren werden kaum von anderen Raubtieren erlegt und sind bei ihrer Nahrungssuche flexibel.

Sie haben daher bessere Überlebenschancen als andere Arten und überleben länger, wenn sich der Druck auf das Ökosystem verstärkt.

Die von den Forschern entwickelte Methode weist darüber hinaus auf wenig robuste Arten wie Kaninchen oder Eidechsen hin, die bislang von Forschern eher wenig beachtet wurden. Im Nahrungsnetz spielen diese Arten eine untergeordnete Rolle. Dennoch sind sie stark vom Aussterben bedroht. Das Modell könnte daher Hinweise auf Schwachstellen liefern, die häufig bei der Naturschutzplanung übersehen werden.

Verwendetes Modell bereits für andere Zwecke genutzt

Das als Frühwarnsystem für das Artensterben genutzte Modell ist selbst nicht neu. Es wird genutzt, um aufzuzeigen, wie sich Länder Wettbewerbsvorteile in globalen Handelsnetzwerken erarbeiten.

Komplexe Systeme weisen oft ähnliche Strukturen auf. Das trifft für Volkswirtschaften ebenso zu wie für Ökosysteme. Die Kontexte unterscheiden sich, doch die Netzdynamiken sind miteinander vergleichbar.