Unsere Forschung untersucht komplexe Systeme, die aus vielen miteinander interagierenden Teil(ch)en zusammengesetzt sind. Die Mehrzahl unserer Projekte befasst sich mit biologischen Netzwerken, meist in Kooperation mit Biologen. Die anderen Projekte erforschen den Zusammenhang zwischen den verschiedenen Beschreibungen physikalischer Systeme durch Quantenmechanik, klassische Mechanik und statistische Mechanik.

Biologische Netzwerke

Bild: Raphael Löffler

Strahlenbiophysik und Modellierung zellulärer Prozesse

Wir arbeiten mit Kollegen aus dem Fachbereich Biologie und mit der Strahlenbiophysikgruppe an der GSI zusammen, um die Prozesse, die in einer Zelle als Reaktionen auf Strahlungsschäden auftreten, zu modellieren. Diese Modelle werden meist als Netzwerke dargestellt und mit kontinuierlichen oder stochastischen Gleichungen simuliert.

Publikationen:

  • Lara Becker, Marc Mendler, Barbara Drossel, Relation between the convective field and the stationary probability distribution of chemical reaction networks, New Journal of Physics 22 (3), 2020, 033012
    https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab73c6
  • Caibin Sheng, Isabella-Hilda Mendler, Sara Rieke, Petra Snyder, Marcel Jentsch, Dhana Friedrich, Barbara Drossel, Alexander Loewer, PCNA-mediated degradation of p21 coordinates the DNA damage response and cell cycle regulation in individual cells, Cell reports 27 (1), 2019, 48–58
    https://doi.org/10.1016/j.celrep.2019.03.031
  • Marc Mendler, Johannes Falk, Barbara Drossel, Analysis of stochastic bifurcations with phase portraits, PloS one 13 (4), 2018, e0196126
    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0196126

Theoretische Ökologie

Bild: Thilo Gross

Räumlich ausgedehnte Nahrungsnetze

Wir untersuchen Nahrungsnetz-Modelle, die die Räuber-Beute-Beziehungen zwischen den Spezies in einem Lebensraum beschreiben.

Die Dynamik dieser Systeme erfolgt auf drei Zeitskalen (Änderung der Futtersuche auf der kürzesten Zeitskala, Populationsdynamik auf einer mittleren Skala und Änderungen in der Zusammensetzung der Nahrungsnetze auf der längsten Zeitskala). Die wichtigste Frage hierbei ist, wie komplexe Strukturen entstehen und wie sie unter der Dynamik bestehen bleiben.

Publikationen:

  • Michaela Hamm, Barbara Drossel, The concerted emergence of well-known spatial and temporal ecological patterns in an evolutionary food web model in space, Scientific Reports 11 (1), 2021, 1–12
    https://doi.org/10.1038/s41598-021-84077-0
  • Thilo Gross, Korinna T Allhoff, Bernd Blasius, Ulrich Brose, Barbara Drossel, Ashkaan K Fahimipour, Christian Guill, Justin D Yeakel, Fanqi Zeng, Modern models of trophic meta-communities, Philosophical Transactions of the Royal Society B 375 (1814), 2020, 20190455
    https://doi.org/10.1098/rstb.2019.0455
  • Andreas Brechtel, Thilo Gross, Barbara Drossel, Far-ranging generalist top predators enhance the stability of meta-foodwebs, Scientific reports 9 (1), 2019, 1-15, https://doi.org/10.1038/s41598-019-48731-y
Bild: Lara Becker

Assemblierung mutualistischer Netzwerke

Wir führen Computersimulationen im Rahmen der DFG-finanzierten Forschungsgruppe 5207 “Reassembly of species interaction networks – Resistance, resilience and functional recovery of a rainforest ecosystem” durch.

Zur Forschungsgruppe 5207

Hier geht es darum, wie der Regenwald sich erneuert, wenn Ackerbauflächen und Palmölplantagen freigegeben werden. Die Computersimulationen kombinieren Populationdynamik mit dem Hinzufügen neuer Spezies.

Quantenmechanische Grundlagen der statistischen Physik

Bild: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:MWI_Schrodingers_cat.png

Zusammenhang zwischen Quantenmechanik und statistischer Mechanik

Während die Beschreibung eines Vielteilchensystems durch die Schrödingergleichung deterministisch, zeitsymmetrisch und linear ist, ist die Beschreibung durch die statistische Mechanik stochastisch und irreversibel.

Die Dekohärenztheorie und die Theorie offener Quantensysteme führen diesen Unterschied auf die Verschränkung des Systems mit einer nicht beobachteten großen Umgebung zurück. Dagegen wird hier die These vertreten, dass wir es mit echten Gültigkeitsgrenzen der unitären Zeitentwicklung und linearen Superposition zu tun haben und dass die statistische Mechanik daher auch die Mittel zur Erklärung des quantenmechanischen Messprozesses bereitstellt. Wir verfolgen dieses Thema auf der einen Seite durch die kritische Diskussion der tatsächlich in der Vielteilchenphysik verwendeten Methoden (die deterministische und stochastische, unitäre und nichtlineare Elemente mischen) und durch Modelle ähnlich den quantenmechanischen Kollapsmodellen.

Publikationen:

  • Bernd Fernengel, Barbara Drossel, Bifurcations and chaos in nonlinear Lindblad equations, Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical 53 (38), 2020, 385701
    https://doi.org/10.1088/1751-8121/abaa85
  • Barbara Drossel, What condensed matter physics and statistical physics teach us about the limits of unitary time evolution, Quantum Studies: Mathematics and Foundations 7 (2), 2020, 217-231
    https://doi.org/10.1007/s40509-019-00208-3