Überraschend: Die universelle Ökologietheorie

Je größer die Öko-Sau, desto länger lebt sie und desto weniger vermehrt sie sich

In der Physik und der Chemie gibt es die großen, übergreifenden Theorien, mit denen die Grundgesetze der Welt erklärt werden. In der Ökologie fehlt dieser Rundumschlag noch, aber jetzt treten zwei Wissenschaftler an, um diese Lücke zu schließen. Sie setzen auf den Energieumsatz durch den Stoffwechsel, die metabolische Rate.

Das Leben in all seiner Vielfalt ist immer wieder erstaunlich und überraschend. In einem Regenwald findet sich ein extrem komplexes Zusammenspiel verschiedenster Lebensformen auf engstem Raum. Es funktioniert, aber warum funktioniert es und gibt es eine verborgene Ordnung in dem Chaos?

Längst haben Ökologen gelernt, Abläufe in einzelnen Nischen zu definieren, zum Beispiel wie ein Insekt in einem speziellen Baum lebt und wie der davon profitiert, weil sein Blütenstaub dadurch verteilt wird. Leider gilt das einen Baum weiter für ein anderes Insekt in vielen Fällen schon nicht mehr. Universelle Gesetze oder Prinzipien, die grundsätzliche verbindliche Aussagen zulassen, gibt es in der Ökologie praktisch nicht.

Das soll sich jetzt ändern. In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsjournals New Scientist stellen der Biologe James Brown von der University of New Mexico und der Physiker Geoffrey West vom Santa Fe Institute ihre "One rate to rule them all" vor "eine Formel, sie alle zu knechten". Sie haben eine "metabolische Theorie der Ökologie" entworfen und arbeiten nun mit einer Arbeitsgruppe an ihrer Verfeinerung. Die metabolische Rate sehen sie als Basis biologischer Abläufe, denn sie beschreibt, wie ein Organismus Energie und Material aufnimmt, transformiert und wieder ausscheidet. Der Stoffwechsel sorgt dafür, dass jedes Wesen die nötige Energie für seinen Grundumsatz, das Wachstum und die Reproduktion bekommt.

Je größer, desto langsamer

Alles begann 1997 mit einer simplen Frage des Doktoranten Brian Enquist: "Warum ist es drei Viertel?" Das ist eine alte Frage, die auf die Untersuchungen des Verhältnisses zwischen Körpergröße und Stoffwechsel bei Wirbeltieren zurückgeht. Der Chemiker Max Kleiber hatte 1932 dieses Gesetz entdeckt: Je größer ein Tier ist, desto größer wird auch sein Energieumsatz, allerdings nicht in der zu erwartenden Potenz. Ein Elch, der 200 Kilogramm wiegt, ist 10.000 Mal schwerer als eine Maus, die 20 Gramm wiegt, aber er frisst nur 1000 Mal mehr als die Kleine, denn seine Stoffwechselrate ist anders: Sein Herz schlägt wesentlich langsamer, er verbraucht seine Energie langsamer. Doch wie verläuft die Steigerung genau? Kleiber ermittelte den Faktor Masse beziehungsweise Körpergröße hoch 3/4.

Brown und Enquist begannen, sich mit dieser 70 Jahre alten Frage zu beschäftigen und holten dann wegen der komplexen Mathematik den Physiker West ins Team. Sie berechneten, wie sich die Stoffwechselrate mit zunehmender Körpergröße verändert und sie stellten fest, dass sie die fraktale Geometrie brauchten, um die Komplexität eines Kreislauf-Netzwerkes abzubilden. Die Vernetzung und Verästelung der feinen Gefäße im Körper konnte nur so nachvollzogen werden.

Die magische Vier

Und ihre Berechnungen stimmten unter Einbeziehungen dieser vierten Dimension des Lebens, wie Brown sie nennt, dem biologischen Skalengesetz ("scaling law"). Zurück zum Beispiel der Maus und des Elchs. Mathematisch betrachtet steigt die metabolische Rate in Proportion zur Körpermasse also um die Potenz 3/4. Anders ausgedrückt, ist die metabolische Rate pro Gramm Körpergewebe proportional zur Körpermasse, die um die Potenz minus 1/4 gesteigert wird. Die Lebensdauer steigt mit der Masse um die Potenz 1/4. Das bedeutet, dass jedes Gramm der Maus zehnmal so viel Energie braucht wie ein Gramm Elch und das Herz der Maus schlägt zehnmal schneller. Doch der Elch lebt zehnmal länger (Scaling).

Wenn ein Tier 16mal größer ist als ein anderes, dann schlägt das Herz des größeren nur halb so schnell und es wird doppelt so lange leben. Die metabolische Rate definiert also die Lebensdauer und den Rhythmus des Pulsschlags. Aber sie kann noch viel mehr Vorhersagen machen, auch über komplexe Ökosysteme. "Vier ist die magische Zahl des Lebens", meint Geoffrey West.

Der Metabolismus der Ökosysteme

Die Forschergruppe konnte diese Ergebnisse inzwischen auch für Pflanzen und Einzeller bestätigen. Nach derselben Formel kann das Pflanzenwachstum eines ganzen Waldes theoretisch berechnet werden. Oder die Anzahl von Tieren in einem Ökosystem: Geburten- und Todesrate wachsen um die Potenz minus einem Viertel der Masse, die Populationsdichte um die Potenz minus dreiviertel.

Die neuesten Erkenntnisse betreffen die Temperatur. Die Forscher konnten zeigen, dass mit zunehmender Wärme die Rate der biochemischen Reaktionen exponentiell ansteigt. Hitze erzeugt eine Beschleunigung der metabolischen Rate und fördert ökologische Interaktion und Verdrängung. Der Überlebenskampf wird intensiver und schneller.

Langsamer Puls, langes Leben die Korrelation zwischen Körpergröße und metabolischer Rate (Bild

Diese Resultate sind besonders in Hinblick auf die globale Erwärmung interessant. Wenn sich durch steigende Temperaturen der Stoffwechsel der individuellen Organismen beschleunigt, dann verbrauchen sie mehr Ressourcen, was bedeutet, in einem solchen Ökosystem muss sich die Zahl der Individuen und damit die Bevölkerungsdichte verringern.

Brown und West würden sich auch wünschen, dass sich unsere eigene Spezies, der Mensch, mit der neuen Theorie auseinander setzt und einen kritischen Blick auf unsere eigene metabolische Rate wirft, die wir im wahrsten Sinn des Wortes mit jeder Menge Energieverbrauch anheizen: Was wir für Heizung, Licht und Fortbewegung zusätzlich verfeuern, gehört nach ihrer Theorie mit zum Energieumsatz des einzelnen Organismus.

Während ein Mensch an sich um die 8400 Kilojoule pro Tag umsetzt, was einer konstanten Leistung von etwa 100 Watt und dem entspricht, was von einem Säugetier unserer Größe zu erwarten ist, setzen heutige Menschen pro Person tatsächlich zwischen 300 Watt in den ärmsten Entwicklungsländern und teils über 10.000 Watt in den energiehungrigsten Industrienationen wie den USA, England und Japan um. Je höher der Energieverbrauch, desto geringer jedoch die Fortpflanzungsrate mit statistisch etwas weniger als zwei Kindern im Leben einer Frau in den Industriestaaten passt die Realität hier genau zur Theorie.

Die beiden Autoren sind zuversichtlich, dass sich ihre Theorie für die Fragen des großen Maßstabs bewähren wird:

http://www.heise.de/tp/artikel/17/17316/1.html