Dynamik von Phytoplanktonpopulationen fern vom Gleichgewicht: Chemostatversuche und mathematische Modellierung

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Das interdisziplinäre Forschungsprojekt dient dem Gewinn grundlegender, neuer Erkenntnisse über die zeitliche Dynamik einer nährstofflimitierten Population in Wechselwirkung mit einer variablen Umwelt. Dazu werden populationsdynamische Experimente in Chemostaten mit Phytoplanktonkulturen durchgeführt und die Reaktion des Systems auf bestimmte Anfangsbedingungen, externes Rauschen und periodisches äußeres Treiben bestimmt. Die Experimente werden durch nichtlineare Datenanalyse, mathematische Modellierung und Computersimulation begleitet. Der neue Ansatz des Projektes besteht in der intensiven Interaktion zwischen Experiment und Datenanalyse und in der genauen zeitlichen Messung der entstehenden Dynamiken. Der bereits etablierte experimentelle Aufbau erlaubt eine quasikontinuierliche nichtinvasive Messung der Dynamik der Phytoplanktondichte. Dies ermöglicht eine bisher unerreichte Genauigkeit bei der Überprüfung von theoretischen Ansätzen und Modelldynamiken mit der experimentellen Realität. Außerdem kann die Population mittels einer computergesteuerten zeitlich veränderlichen Durchflussrate gezielt aus dem Gleichgewicht ausgelenkt werden, um somit theoretische Konzepte zum Verhalten einer Population unter Nichtgleichgewichtssituationen mit einem realen, biologischen System zu vergleichen. Diese Erkenntnisse sollen für praktische Anwendungen ausgenutzt werden. Insbesondere können an diesem System verschiedene Methoden der Systemsteuerung direkt überprüft werden, indem die Durchflussrate (beispielsweise mit Hilfe von zeitverzögerter Rückkopplung) in Abhängigkeit von der gemessenen Dichte verändert wird. Die gleichzeitige Messung mehrerer Chemostaten erlaubt eine erstmalige experimentelle Untersuchung von rauschinduzierter Synchronisierung (Moran-Effekt). Die Kombination von Theorie und Laborversuchen ermöglicht es, grundlegende mathematische Formulierungen zur Beschreibung von Populationsdynamik mit den entstehenden Mustern in Experimenten mit lebenden Kulturen direkt zu vergleichen mit dem Ziel entscheidende Kausalfaktoren zu identifizieren.