Ökologie, Evolution und Tierverhalten

Futtersuche von Ameisenkolonien

Einzelne Ameisen, die Pheromonspuren legen und ihnen folgen, ohne Anführer und ohne Karte.

Frage, die sie beantwortet: Wie findet eine Kolonie den kürzesten Weg zum Futter, wenn keine Ameise den Weg kennt?

Lässt aus: Echte Ameisen nutzen auch Sehen, Hören und Schmecken, was die meisten Spurmodelle ignorieren.

Läuft auf: etwa 10¹¹ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die Tausende futtersuchende Ameisen simuliertSeit: 1990 Deneubourgs und Kollegen Modell der Spurbildung bei Argentinischen Ameisen

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Honigbienenvölker

Sammlerinnen, Pflegerinnen und Kundschafterinnen, die Arbeit teilen, und Schwärme, die per Art Abstimmung eine neue Bleibe wählen.

Frage, die sie beantwortet: Wie wählt ein Schwarm ohne Anführer den besten Nistplatz?

Lässt aus: Setzt voraus, dass Bienen festen einfachen Regeln folgen, obwohl echte Bienen variieren und sich irren können.

Läuft auf: etwa 10¹¹ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die die Nistplatzwahl eines Schwarms simuliertSeit: 2003 Passino und Seeleys Modell der Nistplatzwahl bei Honigbienen

Schwarm- und Schulverhalten

Jeder Vogel oder Fisch steuert nach drei lokalen Regeln: Abstand halten, sich an den Nachbarn ausrichten und zusammenbleiben.

Frage, die sie beantwortet: Wie drehen sich Tausende von Tieren gemeinsam wie eins?

Lässt aus: Echte Schwärme reagieren auf Raubtiere und Gelände, die die drei einfachen Regeln auslassen.

Läuft auf: etwa 10¹³ FLOPS grob eine Gaming-GPU, die Tausende gesteuerte Agenten simuliertSeit: 1987 Craig Reynolds' Boids-Modell des Schwarmverhaltens

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Bau von Termitenhügeln

Termiten legen Erdkügelchen ab und bewegen sie, und die Luft strömt durch das Bauwerk, das sie errichten.

Frage, die sie beantwortet: Wie bauen Insekten mit winzigen Gehirnen belüftete Türme?

Lässt aus: Das echte Verhalten von Termiten hängt von chemischen und strukturellen Hinweisen ab, die nur teilweise erfasst sind.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob ein Universitätscluster, der Pellets fallen lassende Termiten und Luftströmung simuliertSeit: 1999 Bonabeaus und Theraulaz' stigmergische Modelle des Termitenbaus

Aggregation von Schleimpilzen

Freilebende Amöben, die ein chemisches Signal abgeben und ihm folgen, um sich bei Nahrungsmangel zu einem einzigen schneckenartigen Körper zusammenzuströmen.

Frage, die sie beantwortet: Wie einigen sich unabhängige Zellen ohne Nervensystem darauf, ein einziger Körper zu werden?

Lässt aus: Laborbedingungen sind weit sauberer als der Boden, in dem der echte Organismus lebt.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die ein Chemotaxis-Aggregationsmodell ausführtSeit: 1970 Keller und Segels Modell der chemotaktischen Aggregation von Schleimpilzen

Bakterielles Schwärmen und Quorum Sensing

Millionen Bakterien, die die chemischen Signale der anderen wahrnehmen, um gemeinsam in ein koordiniertes Verhalten zu wechseln, etwa über eine Oberfläche zu schwärmen oder zu leuchten.

Frage, die sie beantwortet: Woher weiß eine Bakterienpopulation, wann sie groß genug ist, um gemeinsam zu handeln?

Lässt aus: Im Labor in der Schale gezüchtete Stämme verhalten sich einheitlicher als eine echte gemischte Mikrobengemeinschaft.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die ein agentenbasiertes Koloniemodell ausführtSeit: 1994 frühe Simulationen von Quorum-Sensing-Schaltkreisen, die Bakterienverhalten koordinieren

Marschierende Wanderheuschrecken

Einzelne Insekten richten sich bei hoher Dichte an ihren Nachbarn aus, und Bänder beginnen, gemeinsam in dieselbe Richtung zu marschieren.

Frage, die sie beantwortet: Bei welcher Dichte wechseln Wanderheuschrecken vom ziellosen Umherirren zum Marschieren?

Lässt aus: Habitatstruktur und Nahrung sind nicht enthalten, und echte Schwärme fliegen.

Läuft auf: etwa 10⁷ FLOPS grob Simulation selbstangetriebener Teilchen auf einer Workstation.Seit: 2006 Buhl und Kollegen, von Unordnung zu Ordnung bei marschierenden Heuschrecken. Quelle

Bewegung und Nahrungssuche

Tiere, die eine Landschaft nach Futter absuchen, modelliert als Random Walks und Entscheidungsregeln.

Frage, die sie beantwortet: Sucht dieses Tier effizient, und was weiß es darüber, wo es Futter gibt?

Lässt aus: Eine Random-Walk-Statistik anzupassen, belegt nicht, was das Tier tatsächlich wahrnimmt.

Läuft auf: etwa 10¹¹ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die ein Random-Walk-Modell der Futtersuche anpasstSeit: 1996 Das Lévy-Flug-Modell der Nahrungssuche von Albatrossen von Viswanathan und Kollegen

Migration und Navigation

Vögel, Schildkröten oder Wale, die Tausende Kilometer reisen und sich dabei an Sonne, Sternen, Geruch oder Magnetfeld orientieren.

Frage, die sie beantwortet: Welche Hinweise könnten einen Vogel im ersten Jahr zum richtigen Kontinent führen?

Lässt aus: Auf welche Hinweise sich echte Tiere verlassen und wie sie diese kombinieren, ist noch umstritten.

Läuft auf: etwa 10¹¹ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die hinweisbasierte Vogelnavigation simuliertSeit: 1996 frühe Simulationen der Nutzung magnetischer und himmlischer Hinweise bei der Vogelnavigation

Fortbewegung von Tieren

Schwimmende Fische, fliegende Insekten und rennende Tiere, wobei die Flüssigkeit oder der Boden zurückdrückt.

Frage, die sie beantwortet: Wie fliegt eine Hummel, und warum schwimmen Fische in Formation?

Lässt aus: Vereinfachte Flügel- und Körperformen verfehlen Details, die die Oberflächen eines echten Tieres bieten.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob ein Universitätscluster, der eine Flug- oder Schwimmsimulation eines Körpers in einer Strömung ausführtSeit: 1994 frühe Strömungsmodelle des Insektenflugs

Evolution des Verhaltens

Strategien wie Kämpfen, Teilen oder Betrügen, über viele Generationen gegeneinander gespielt.

Frage, die sie beantwortet: Warum sollte ein Tier je einem nicht verwandten Nachbarn helfen?

Lässt aus: Strategien stammen aus einer Auswahl, die der Modellierer getroffen hat, nicht aus dem ganzen Raum möglichen Verhaltens.

Läuft auf: etwa 10¹¹ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die ein evolutionäres Spielturnier ausführtSeit: 1981 Axelrods und Hamiltons simulierte Evolution von Kooperationsstrategien

Modelle von Vogelgesang und Stimmenlernen

Der Hirnschaltkreis eines jungen Vogels zum Nachsingen des Liedes eines Lehrers, modelliert als sensomotorische Schleife, die das eigene Lallen mit einer gemerkten Vorlage vergleicht.

Frage, die sie beantwortet: Wie wird aus dem Lallen eines jungen Vogels eine genaue Kopie des Gesangs eines erwachsenen?

Lässt aus: Modelle, die Singvögel erklären sollen, lassen sich nicht ohne Weiteres auf die Lautbildung anderer Tiere übertragen.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die ein sensomotorisches Lernmodell trainiertSeit: 2002 frühe Rechenmodelle des Gesangslernens beim Zebrafinken

Modellierung dynamischer Energiebudgets

Das gesamte Energiebudget eines Tieres über sein Leben verfolgt: was es frisst und wie es sich auf Überleben, Wachsen und Fortpflanzung aufteilt.

Frage, die sie beantwortet: Wie wird dieses Tier bei gegebenem Nahrungsangebot und gegebener Temperatur wachsen und sich fortpflanzen?

Lässt aus: Eine kleine Menge universeller Parameter kann die Besonderheiten jeder Art nicht erfassen.

Läuft auf: etwa 10¹⁰ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die ein kleines System von Energieflussgleichungen löstSeit: 1986 Kooijmans Theorie des dynamischen Energiehaushalts für einzelne Organismen

Räuber-Beute-Dynamik

Zahlen von Jägern und Gejagten, die in verbundenen Zyklen steigen und fallen, die Lotka-Volterra-Gleichungen und ihre Nachkommen.

Frage, die sie beantwortet: Warum schwanken die Bestände von Luchs und Hase zyklisch?

Lässt aus: Echte Populationen haben Altersstruktur, Raum und mehrere Beutetiere, die das Modell ignoriert.

Läuft auf: etwa 10⁹ FLOPS grob ein Laptop, der die Lotka-Volterra-Gleichungen löstSeit: 1925 Lotka und Volterras Räuber-Beute-Gleichungen

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Nahrungsnetze

Wer frisst wen in einem ganzen Ökosystem, und wie Energie hindurchfließt.

Frage, die sie beantwortet: Was geschieht mit dem Rest des Systems, wenn eine Art verschwindet?

Lässt aus: Echte Nahrungsbeziehungen sind schwerer zu messen, als die Modellnetzwerke annehmen.

Läuft auf: etwa 10¹⁰ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die die Stabilität eines Modell-Nahrungsnetzes analysiertSeit: 1972 Robert Mays Stabilitätsanalyse von Modell-Nahrungsnetzen

Walddynamik

Einzelne Bäume, die keimen, um Licht konkurrieren und über Jahrhunderte absterben.

Frage, die sie beantwortet: Wie wird dieser Wald in zweihundert Jahren aussehen?

Lässt aus: Wie eine Baumart auf ein sich wandelndes Klima reagieren wird, lässt sich weiterhin schwer kalibrieren.

Läuft auf: etwa 10¹³ FLOPS grob ein Universitätscluster, der einzelne Bäume über Jahrhunderte verfolgtSeit: 1970 Botkins, Janaks und Wallis' JABOWA-Lückenmodell der Waldsukzession

Fischerei- und Wildtiermanagement

Fisch- oder Tierbestände unter Nutzung, mit Geburt, Wachstum und Unsicherheit.

Frage, die sie beantwortet: Wie viele können jedes Jahr gefangen werden, ohne dass die Population zusammenbricht?

Lässt aus: Bestandsbewertungen hängen von Fangdaten ab, die unvollständig oder falsch gemeldet sein können.

Läuft auf: etwa 10¹¹ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die ein Bestandsbewertungsmodell ausführtSeit: 1957 Beverton und Holts dynamisches Modell befischter Fischbestände

Verbreitungsgebiete von Arten

Wo Arten leben können und wie sich ihre Verbreitungsgebiete mit dem Klimawandel verschieben.

Frage, die sie beantwortet: Wo wird diese Art in fünfzig Jahren überleben können?

Lässt aus: Setzt voraus, dass das Klima die Hauptgrenze für das Verbreitungsgebiet ist, und unterschätzt Konkurrenz und Ausbreitung.

Läuft auf: etwa 10¹¹ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die ein bioklimatisches Verbreitungsmodell anpasstSeit: 1986 frühe bioklimatische Hüllenmodelle zur Vorhersage von Artverbreitung

Wildtierkrankheiten

Infektionen, die durch Tierpopulationen wandern und manchmal auf Menschen überspringen.

Frage, die sie beantwortet: Könnte diese Krankheit die Population auslöschen, und kann Impfköder sie stoppen?

Lässt aus: Kontaktraten zwischen Wildtieren sind schwer direkt zu beobachten.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob ein Universitätscluster, der die Ausbreitung einer Krankheit in einer Wildpopulation simuliertSeit: 1991 frühe Simulationsmodelle der Tollwutausbreitung in Fuchspopulationen

Allgemeine Ökosystemmodelle

Ein mechanistisches Modell, in dem jeder Organismentyp, vom Plankton bis zu Großtieren, nach gemeinsamen Regeln überall auf der Erde frisst, wächst, sich fortpflanzt und ausbreitet.

Frage, die sie beantwortet: Können globale Muster der Ökosystemstruktur aus Regeln für einzelne Organismen entstehen?

Lässt aus: Einzelne Arten werden nicht verfolgt, nur funktionelle Gruppen.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob Kohortenbasierte globale Läufe über viele simulierte JahreSeit: 2014 Emergent global patterns of ecosystem structure and function from a mechanistic general ecosystem model (2014) Quelle

Metapopulationsdynamik

Eine Art lebt in vielen Lebensraum-Flecken einer Landschaft, stirbt in einigen aus und besiedelt andere neu; das Modell fragt, ob das Ganze fortbesteht.

Frage, die sie beantwortet: Überlebt eine Art in einer zerstückelten Landschaft?

Lässt aus: Die Ausbreitung wird durch einen einfachen Kern dargestellt, und die lokale Lebensraumqualität bleibt fest.

Läuft auf: etwa 10⁸ FLOPS grob Simulation der Flächenbesetzung auf einem Laptop.Seit: 1994 Hanski, ein praktisches Modell der Metapopulationsdynamik. Quelle

Individuenbasierte ökologische Modelle

Jede Pflanze oder jedes Tier wird einzeln mit eigenem Zustand dargestellt, sodass Populationsmuster aus vielen einzelnen Leben entstehen.

Frage, die sie beantwortet: Welche Populationsmuster entstehen aus den Wechselwirkungen von Individuen?

Lässt aus: Die Parameter für jedes Individuum sind schwer zu messen, und die Validierung ist schwierig.

Läuft auf: etwa 10⁹ FLOPS grob Individuenbasierte Simulation einer Landschaft auf einer Workstation.Seit: 1988 Huston, DeAngelis und Post, neue Computermodelle vereinheitlichen die ökologische Theorie. Quelle

Modelle der Widerstandsfähigkeit von Korallenriffen

Korallen, Algen und weidende Fische konkurrieren auf einem Riff durch Wachstum, Fraß und Störung, und das Modell fragt, ob ein Riff von Koralle zu Algen kippen kann.

Frage, die sie beantwortet: Wie viel Beweidung verhindert, dass ein Riff zu Algen kippt?

Lässt aus: Larvenzufuhr und die Auswirkungen der Erwärmung werden vereinfacht modelliert.

Läuft auf: etwa 10⁸ FLOPS grob räumliche Riffsimulationen auf einer Workstation.Seit: 2007 Mumby, Hastings und Edwards, Schwellenwerte und Resilienz karibischer Korallenriffe. Quelle

Räumliche Wirt-Parasitoid- und Schädlingsgitter

Wirte und Parasitoide leben auf einem Gitter mit lokaler Bewegung, und es entstehen komplexe Spiral- und chaotische Muster, die ansonsten instabile Wechselwirkungen stabilisieren.

Frage, die sie beantwortet: Kann der Raum Räubern und Beute die Koexistenz ermöglichen, die sonst nicht möglich wäre?

Lässt aus: Echte Landschaften sind keine gleichförmigen Gitter.

Läuft auf: etwa 10⁶ FLOPS grob gekoppelte Abbildungsgitter auf einem Laptop.Seit: 1991 Hassell, Comins und May, räumliche Struktur und Chaos in der Populationsdynamik von Insekten. Quelle

Bewertung von Managementstrategien in der Fischerei

Ein simulierter Fischbestand und seine Fischerei werden unter verschiedenen Fangregeln betrieben, mit verrauschten Daten und Unsicherheit, die in jede Regel zurückfließen, um Regeln zu finden, die trotz Fehlern funktionieren.

Frage, die sie beantwortet: Welche Ernteregel hält einen Bestand gesund, wenn wir seine Größe nicht kennen?

Lässt aus: Betriebsmodelle beruhen auf Annahmen zur Bestandsbiologie und zu den Fischern, die falsch sein können.

Läuft auf: etwa 10⁹ FLOPS grob Tausende simulierte Management-Hochrechnungen auf einem Cluster.Seit: 1999 Butterworth und Punt, Erfahrungen bei der Bewertung und Umsetzung von Managementverfahren. Quelle

Trophische Massenbilanz-Ökosystemmodelle

Ein marines Nahrungsnetz, beschrieben als ausgeglichene Biomasseflüsse zwischen Gruppen und dann durch die Zeit gerechnet, um die Wirkung von Fischerei oder veränderten Räubern zu sehen.

Frage, die sie beantwortet: Was geschieht mit dem ganzen Ökosystem, wenn eine Art stärker befischt wird?

Lässt aus: Gruppen werden zusammengefasst, und die Ernährungsdaten sind lückenhaft.

Läuft auf: etwa 10⁷ FLOPS grob Bilanz- und zeitdynamische Läufe auf einem Laptop.Seit: 1997 Walters, Christensen und Pauly, Aufbau dynamischer Modelle befischter Ökosysteme aus trophischen Massenbilanz-Bewertungen. Quelle

Planktonökosystemmodelle

Nährstoffe, Phytoplankton, Zooplankton und Detritus in der Oberflächenschicht des Ozeans sind durch Wachstum, Fraß und Absinken verknüpft.

Frage, die sie beantwortet: Wie reagiert die Planktonproduktion auf Licht, Nährstoffe und Durchmischung?

Lässt aus: Viele Arten werden zu wenigen Gruppen zusammengefasst, und die Parameter unterscheiden sich je nach Region.

Läuft auf: etwa 10¹⁰ FLOPS grob gekoppelt an Ozeanzirkulationsmodelle auf einem Cluster.Seit: 1990 Fasham, Ducklow und McKelvie, ein stickstoffbasiertes Modell der Planktondynamik in der durchmischten Deckschicht des Ozeans. Quelle

Modelle der Eutrophierung von Seen

Nährstoffe, Algen, Pflanzen und Fische in einem flachen See werden modelliert, um zu fragen, wann klares Wasser in trübes umkippt und wie es sich wiederherstellen lässt.

Frage, die sie beantwortet: Wie viele Nährstoffe verträgt ein See, bevor er trüb wird, und kehrt eine Sanierung das um?

Lässt aus: Jeder See braucht seine eigene Kalibrierung, und die Sedimentdynamik ist unsicher.

Läuft auf: etwa 10⁷ FLOPS grob Gewöhnliche Differentialgleichungen auf einem Laptop.Seit: 1995 Janse und Van Liere, PCLake, ein Modellierungswerkzeug zur Bewertung von Szenarien der Seensanierung. Quelle

Ausbreitung und Vernetzung mariner Larven

Virtuelle Larven werden von Riffen freigesetzt und von modellierten Meeresströmungen getragen, was eine Karte ergibt, welche Populationen welche anderen versorgen.

Frage, die sie beantwortet: Welche Riffe versorgen welche, und wie groß sollte ein Schutzgebiet sein?

Lässt aus: Verhalten und Sterblichkeit der Larven sind schlecht beobachtet.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob Teilchenverfolgung in Ausgaben von Ozeanmodellen auf einem Cluster.Seit: 2006 Cowen und Kollegen, Skalierung der Konnektivität in Meerespopulationen. Quelle

Modelle von Honigbienenvölkern und Landschaft

Brut, Arbeiterinnen und Vorräte eines ganzen Bienenvolks, Tag für Tag simuliert; Sammlerinnen holen sich Nahrung von Blüten quer durch eine Landschaft und begegnen Milben, Pestiziden und Wetter.

Frage, die sie beantwortet: Überlebt diese Kolonie den Winter in dieser Landschaft?

Lässt aus: Das Blütenangebot der Landschaft und die Entscheidungen der Bienen sind vereinfacht, und Ausfall der Königin und Krankheiten sind nur grob einbezogen.

Läuft auf: etwa 10⁹ FLOPS grob Minuten pro Koloniejahr auf einem Laptop.Seit: 2014 Becher und Kollegen, das BEEHAVE-Modell der Dynamik und Futtersuche von Honigbienenvölkern. Quelle

Bestäubungsleistung über Landschaften hinweg

Nistplätze und Blütenressourcen wilder Bienen werden über eine Landschaft kartiert, und jedes Feld erhält eine Schätzung der Bestäuber, die es besuchen.

Frage, die sie beantwortet: Wie viel Bestäubung der Feldfrüchte leistet der umgebende Lebensraum, und was passiert, wenn er entfernt wird?

Lässt aus: Die Futtersuche der Bienen ist auf Abstandsabnahme vom Nest reduziert, und die Zahl der Bienen ist ein schwacher Hinweis auf den tatsächlichen Ernteertrag.

Läuft auf: etwa 10⁸ FLOPS grob Sekunden bis Minuten pro Region auf einem Laptop.Seit: 2009 Lonsdorf und Kollegen, Modell der Bestäubungsleistungen in landwirtschaftlichen Landschaften. Quelle

Modelle der Verbreitung von Samen und Pollen durch den Wind

Samen und Pollen, die in turbulente Luft freigesetzt werden, werden mit dem Wind getragen und fallen zufällig, wodurch sich eine Verteilung davon aufbaut, wo sie landen.

Frage, die sie beantwortet: Wie weit wandern die Samen einer Pflanze, und wie schnell kann sie sich ausbreiten?

Lässt aus: Seltene weite Sprünge sind für die Ausbreitung am wichtigsten, aber am schwersten zu messen, sodass das Ende der Verteilung schlecht bekannt ist.

Läuft auf: etwa 10⁸ FLOPS grob Minuten auf einem Laptop.Seit: 1989 Okubo und Levins theoretischer Rahmen für die Datenanalyse der Windausbreitung von Samen und Pollen. Quelle

Kurzfristige ökologische Vorhersagen

Ein Ökosystemmodell wird Tage bis Jahre vorwärts gerechnet und jedes Mal aktualisiert, wenn neue Beobachtungen eintreffen, so wie bei der Wettervorhersage.

Frage, die sie beantwortet: Lässt sich der Zustand eines Sees, Waldes oder einer Fischerei für die nächste Saison vorhersagen, mit ehrlichen Fehlerbalken?

Lässt aus: Ökologische Daten sind im Vergleich zu Wetterdaten dünn, und die Prozesse sind weniger gut bekannt, sodass Vorhersagen eine einfache Basislinie oft nur knapp schlagen.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob Ensembles aus Tausenden Läufen, auf einem Cluster aufgefrischt.Seit: 2018 Dietze und Kollegen, Rahmen für iterative ökologische Kurzfristprognosen. Quelle

Größenspektrum-Ökosystemmodelle

Alle Organismen eines Ökosystems, nach Körpergröße gruppiert, mit Energie, die von klein nach groß wandert, wenn sie fressen und gefressen werden; Wachstum und Sterblichkeit ergeben sich allein aus der Größe.

Frage, die sie beantwortet: Wie verändert der Fischereidruck das Gleichgewicht zwischen kleinen und großen Fischen im Meer?

Lässt aus: Die Artidentität wird ignoriert, daher gelten Räuber gleicher Größe, aber unterschiedlicher Ernährung als dieselben.

Läuft auf: etwa 10⁹ FLOPS grob Minuten bis Stunden auf einer Workstation.Seit: 1978 Silvert und Platts zeitabhängige Gleichung für den Energiefluss durch das pelagische Ökosystem nach Größe. Quelle

Neutrale Gemeinschaftsmodelle

Eine Gemeinschaft von Arten, die bei Geburt, Tod und Ausbreitung als identisch behandelt werden; nur Zufall und Wanderung entscheiden, welche häufig sind.

Frage, die sie beantwortet: Wie viel vom Muster der Artenhäufigkeit braucht überhaupt keine Unterschiede zwischen den Arten?

Lässt aus: Echte Arten unterscheiden sich offensichtlich, sodass das Modell als Nullmodell dient und nicht als Beschreibung einer einzelnen Gemeinschaft.

Läuft auf: etwa 10⁹ FLOPS grob Minuten auf einem Laptop.Seit: 1976 Caswells Neutralmodell-Analyse der Gemeinschaftsstruktur. Quelle

Populationsgenetik

Genvarianten, die über Generationen driften, mutieren und selektiert werden.

Frage, die sie beantwortet: Wie viel der Variation, die wir sehen, ist Zufall, und wie viel Selektion?

Lässt aus: Echte Populationen verletzen die vereinfachenden Annahmen zufälliger Paarung und konstanter Größe.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob ein Universitätscluster, der Drift und Selektion über ein Genom simuliertSeit: 1964 frühe Computersimulationen der genetischen Drift unter der Neutraltheorie

Koaleszenz- und phylogenetische Simulation

Stammbäume von Genen oder Arten, rückwärts in der Zeit simuliert, um Methoden zum Lesen echter DNA zu testen.

Frage, die sie beantwortet: Kann die Methode die wahre Geschichte aus der DNA rekonstruieren?

Lässt aus: Setzt eine einfache Populationsgeschichte voraus; die echte Demografie ist komplexer.

Läuft auf: etwa 10¹¹ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die Genbäume in der Zeit rückwärts simuliertSeit: 1983 Hudsons frühe Software zur Koaleszenzsimulation für die Populationsgenetik

Ursprung des Lebens

Einfache Chemikalien, die Netzwerke bilden, die sich selbst kopieren und konkurrieren.

Frage, die sie beantwortet: Wie könnte die Chemie die Grenze zur Biologie überschreiten?

Lässt aus: Noch keine Simulation hat etwas hervorgebracht, das als lebendig gelten würde.

Läuft auf: etwa 10¹² FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die sich selbst replizierende chemische Netzwerke simuliertSeit: 1971 Eigens und Schusters Hyperzyklus-Modelle selbstreplizierender Chemie

Wirt-Parasit-Koevolution

Wirte entwickeln Abwehr, und Parasiten entwickeln Wege daran vorbei, wobei die simulierte Population jeder Generation auf die andere reagiert, in einem modellierten Wettrüsten ohne festen Sieger.

Frage, die sie beantwortet: Erreicht ein Wirt-Parasit-Wettrüsten ein Gleichgewicht, oder geht es endlos weiter, ohne dass eine Seite einen dauerhaften Vorteil gewinnt?

Lässt aus: Echte Wirte und Parasiten koevolvieren gleichzeitig mit allem anderen in ihrer Umgebung.

Läuft auf: etwa 10¹¹ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die ein Koevolutionsmodell über mehrere Generationen ausführtSeit: 1990 frühe Simulationen, die die Red-Queen-Hypothese der Koevolution testeten

Modelle der Artbildung und Makroevolution

Abstammungslinien, die sich über Millionen simulierter Jahre aufspalten, fortbestehen und aussterben, um zu testen, welche Muster von Vielfalt und Stammbaumform einfache Regeln hervorbringen würden.

Frage, die sie beantwortet: Könnte das Muster der Arten, das wir sehen, allein aus einfachem Entstehen und Aussterben von Abstammungslinien hervorgegangen sein?

Lässt aus: Fossile und genetische Aufzeichnungen sind lückenhaft, sodass viele verschiedene Regeln zum selben Muster passen können.

Läuft auf: etwa 10¹⁰ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die Geburts-Todes-Verzweigungsprozesse simuliertSeit: 1969 frühe Geburts-Todes-Modelle der Diversifikation, genutzt zur Untersuchung von Stammbäumen

Sexuelle Selektion und Evolution der Partnerwahl

Eine simulierte Population, in der sich ein Schmuckmerkmal und die Vorliebe dafür gemeinsam entwickeln, um zu testen, ob die weibliche Wahl allein ins Extrem davonlaufen kann.

Frage, die sie beantwortet: Kann die Partnerwahl allein ein Merkmal zu einem extravaganten, kostspieligen Extrem treiben?

Lässt aus: Setzt voraus, dass Vorliebe und Merkmal schlicht vererbbar sind, was einfacher ist als die meiste echte Partnerwahl.

Läuft auf: etwa 10¹⁰ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die ein genetisches Modell gekoppelter Merkmale ausführtSeit: 1981 Landes populationsgenetisches Modell der ausufernden sexuellen Selektion

Adaptive Dynamik der Koevolution

Ein Merkmal entwickelt sich durch Mutationen mit kleiner Wirkung, die an der aktuellen Population getestet werden; es führt zu evolutionär stabilen Zuständen oder spaltet sich in Zweige.

Frage, die sie beantwortet: Wo kommt die Evolution zur Ruhe, und wann spaltet sich eine Linie?

Lässt aus: Setzt seltene Mutationen und einfache Merkmalsräume voraus.

Läuft auf: etwa 10⁶ FLOPS grob Analyse und Simulation auf einem Laptop.Seit: 1996 Dieckmann und Law, die dynamische Theorie der Koevolution, abgeleitet aus stochastischen ökologischen Prozessen. Quelle

Populationsmodelle für Gene Drives

Ein genetisches Element, das sich schneller verbreitet als normale Vererbung, wird in eine modellierte Population ausgesetzt, um zu fragen, ob es eine Schädlingsart unterdrücken oder verändern könnte.

Frage, die sie beantwortet: Würde sich ein Gene Drive in einer wilden Population ausbreiten, und könnte Resistenz ihn stoppen?

Lässt aus: Echte Ausbreitung und die Evolution von Resistenz sind vor einer Freisetzung kaum bekannt.

Läuft auf: etwa 10⁸ FLOPS grob räumliche Populationssimulationen mit Genetik auf einer Workstation.Seit: 2003 Burt, ortsspezifische egoistische Gene als Werkzeuge zur Kontrolle und gentechnischen Veränderung natürlicher Populationen. Quelle

Genomsimulation in Vorwärtszeit

Jedes Individuum und sein Genom wird durch die Generationen verfolgt, mit Selektion, Kopplung und wechselnder Demografie, um zu sehen, wie echte DNA-Muster entstehen.

Frage, die sie beantwortet: Was hinterlassen Selektion und Populationsgeschichte im Erbgut einer Art?

Lässt aus: Die Populationsgrößen werden verkleinert, damit der Lauf machbar bleibt, was das Gleichgewicht von Selektion und Drift verzerrt.

Läuft auf: etwa 10¹⁴ FLOPS grob Tage auf einem Cluster für eine große Population über viele Generationen.Seit: 2013 Messers SLiM, ein Vorwärtszeit-Simulator der Evolution mit Selektion und Kopplung. Quelle

Wettkampfstrategien bei Tieren

Einzelne Individuen, die zufällig um eine Ressource streiten, wählen unter festen Strategien, und die Mischung pendelt sich auf eine ein, die keine Mutante verbessern kann.

Frage, die sie beantwortet: Wann ist Kämpfen oder Nachgeben die bessere Strategie, angesichts dessen, was andere tun?

Lässt aus: Tiere werden auf eine kurze Liste von Strategien reduziert, ohne Lernen, Gedächtnis oder individuelle Unterschiede.

Läuft auf: etwa 10⁶ FLOPS grob Sekunden auf einem Laptop.Seit: 1973 Maynard Smith und Price, The logic of animal conflict. Quelle

Analyse der Überlebensfähigkeit von Populationen

Geburten, Todesfälle und Katastrophen einer kleinen, bedrohten Population, viele Male vorwärts durchgespielt, um abzuschätzen, mit welcher Wahrscheinlichkeit sie überlebt und wie lange.

Frage, die sie beantwortet: Wie wahrscheinlich ist es, dass diese Population in den nächsten hundert Jahren ausstirbt?

Lässt aus: Kleine Stichproben einer seltenen Art lassen die Eingabewerte selbst sehr unsicher.

Läuft auf: etwa 10¹⁰ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die Tausende stochastische Trajektorien berechnetSeit: 1980 frühe stochastische Modelle, die das Aussterberisiko gefährdeter Arten abschätzten

Entwurf von Schutzgebieten und Korridoren

Kandidatenstandorte und die Verbindungen zwischen ihnen werden nach Kosten und den Arten bewertet, die sie schützen würden, und es wird das kleinste Reservatsnetz gesucht, das am meisten abdeckt.

Frage, die sie beantwortet: Welche Menge an Landflächen schützt die meisten Arten zu den geringsten Kosten?

Lässt aus: Optimiert für die Artendaten, die es gibt, was ein kleiner Bruchteil dessen ist, was dort tatsächlich lebt.

Läuft auf: etwa 10¹⁰ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die eine Optimierung der Schutzgebietsauswahl löstSeit: 1988 frühe systematische Algorithmen zur Auswahl von Schutzgebieten für die Naturschutzplanung

Planung von Wiederansiedlung und Umsiedlung

Eine kleine Gründergruppe, in neuen oder früheren Lebensraum ausgesetzt und vorwärts verfolgt, um zu sehen, ob sie sich etabliert, gegeben die Tragfähigkeit des Gebiets und die Genetik der Gründer.

Frage, die sie beantwortet: Führt das Aussetzen dieser Tiere hier tatsächlich zu einer dauerhaften Population?

Lässt aus: Habitatqualität und Krankheitsrisiko am Auswilderungsort werden oft grob geschätzt statt gemessen.

Läuft auf: etwa 10¹⁰ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die ein Gründerpopulationsmodell ausführtSeit: 1990 frühe Simulationsmodelle zur Planung der Wiederansiedlung eines großen Säugetiers

Ausbreitung invasiver Arten

Eine eingeführte Art, die sich Zelle für Zelle über eine Landschaft ausbreitet, und die Wirkung von Barrieren, Abschuss oder biologischer Kontrolle darauf, wie weit sie kommt.

Frage, die sie beantwortet: Wie schnell wird sich dieser Eindringling ausbreiten, und wohin sollte der Bekämpfungsaufwand zuerst fließen?

Lässt aus: Neue Eindringlinge breiten sich oft auf Arten aus, auf die keine frühere Invasion das Modell vorbereitet hat.

Läuft auf: etwa 10¹⁰ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die ein Ausbreitungsmodell für Landschaften ausführtSeit: 1951 Skellams Diffusionsmodell einer sich ausbreitenden Population

Wilderer- und Anti-Wilderer-Patrouillenspiele

Ranger und Wilderer als Spieler eines wiederholten Spiels über einer Karte eines Schutzgebiets, genutzt, um zu entscheiden, wohin Patrouillen gehen sollen, wenn sie nicht überall sein können.

Frage, die sie beantwortet: Wo sollten begrenzte Ranger patrouillieren, um gegen einen strategischen Wilderer am meisten zu erreichen?

Lässt aus: Setzt einen rationalen, geduldigen Wilderer voraus, obwohl vieles gelegenheitsgetrieben ist.

Läuft auf: etwa 10¹⁰ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die ein Sicherheitsspiel über eine Streifenkarte löstSeit: 2014 frühe Sicherheitsspielmodelle, angewendet auf die Einsatzplanung von Wildhütern

Modellierung von Wiederverwilderung und trophischen Kaskaden

Ein Raubtier oder eine andere Schlüsselart, die einem Nahrungsnetz wieder hinzugefügt wird; verfolgt werden ihre Folgewirkungen auf Beutetiere, Vegetation und sogar Flüsse.

Frage, die sie beantwortet: Was geschieht mit dem Rest des Ökosystems, wenn wir diese Art zurückbringen?

Lässt aus: Die berühmten Kaskaden entfalteten sich über Jahrzehnte und lassen sich im Nachhinein leichter modellieren als vorhersagen.

Läuft auf: etwa 10¹⁰ FLOPS grob eine Desktop-Workstation, die ein Nahrungsnetzmodell mit mehreren Arten ausführtSeit: 1995 Wölfe wurden im Yellowstone wieder angesiedelt, später auf Kaskadeneffekte hin modelliert