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Self-organized criticality in the gut microbiome
Franziska Bauchinger
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Interdisziplinäres Masterstudium Environmental Sciences
Betreuer*in
Thomas Rattei
DOI
10.25365/thesis.40027
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29625.30626.742366-6
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Wir stellen ein theoretisches Model der zeitlichen Entwicklung der Darmflora vor.
Das Model erfasst die zeitliche Dynamik und simuliert die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft.
Zur Parametrisierung passten wir unser Model durch "generalized simulated annealing" an experimentelle Daten an.
Experimentelle Daten und Daten aus der Simulation zeigen typische Merkmale selbstorganisierter Kritikalität: Potenzgesetze in der Verteilung von Lebenszeiten der Spezies und rosa Rauschen in den Verteilungen von mittleren spektralen Leistungsdichten der Zeitreihen.
Spektrale Leistungsdichten der einzelnen mikrobiellen Spezies zeigen eine Stratifizierung in Untergruppen, die weißes, rosa oder braunes Rauschen aufweisen.
Die Art von Rauschen korreliert mit der Abundanz der Spezies. Die Untergruppen unterscheiden sich auch darin, wie stark Model-Parameter ihre zeitliche Entwicklung beeinflussen.
Gering abundante Spezies zeigen typischerweise weißes Rauschen. Diese Spezies sind stark beeinflusst von stochastischen externen Fluktuationen. Diese Einflüsse sind in der Immigrationswahrscheinlichkeit enthalten.
Spezies, die die höchsten Abundanzen und hohe zeitliche Persistenz aufweisen, zeigen braunes Rauschen. Sie sind stark beeinflusst von externen deterministischen Treibern, hauptsächlich dem Host der mikrobiellen Gemeinschaft. Diese Einflüsse sind in der Extinktionswahrscheinlichkeit enthalten.
Spezies mit mittleren Abundanzen zeigen rosa Rauschen. Sie sind weder durch
stochastische externe Fluktuationen noch durch den Host besonders stark beeinflusst.
Die zeitliche Entwicklung dieser Untergruppe von Spezies wird wahrscheinlich in erster Linie durch interne Strukturen geformt, die Interaktionen innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft.
Die Darmflora als System weist ebenfalls rosa Rauschen auf. Wir argumentieren daher, dass die Darmflora selborganisiert kritisches Verhalten zeigt und dass die Strukturen innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft die zeitliche Entwicklung und Dynamik dieses Systems stark formen.
Abstract
(Englisch)
We introduce a theoretical model for time evolution of the gut microbiome that captures temporal dynamics and simulates composition within the microbial community.
For parametrization we fitted the model to experimental data by using generalized simulated annealing.
Experimental data and data from simulations show typical features of self-organized criticality: power-laws in species lifetime distributions and pink noise in distributions of mean power spectral densities.
Power spectral densities of the individual species show that the community stratifies into subgroups of species exhibiting white, pink and brown noise, respectively.
Those noise types correlate with species abundance. Subgroups also differ in how strong model parameters influence their time evolution.
Species reaching only low abundances typically exhibit white noise. Those species are strongly influenced by stochastic external fluctuations, influences incorporated in immigration probability.
Species showing the highest abundances and high temporal persistence within the community exhibit brown noise. They are strongly affected by external deterministic drivers, which is mainly the host of the microbial community. This influence is comprised in extinction probability.
Species showing intermediate abundances exhibit pink noise. They are neither very strongly affected by stochastic external fluctuations nor by the influence of the host.
The time evolution of species exhibiting pink noise is likely mostly shaped by internal structure, the interactions within the microbial community.
The gut microbiome as a system also exhibits pink noise. We therefore argue that it shows self-organized critical behavior and that the structures within the microbial community strongly shape the dynamics of this system.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
gut microbiome microbial interaction networks self-organized criticality pink noise
Schlagwörter
(Deutsch)
Darm-Mikrobiom mikrobielle Interaktions-Netzwerke selbsorganisierte Kritikalität rosa Rauschen
Autor*innen
Franziska Bauchinger
Haupttitel (Englisch)
Self-organized criticality in the gut microbiome
Paralleltitel (Deutsch)
Selbstorganisierte Kritikalität im Darm-Mikrobiom
Publikationsjahr
2015
Umfangsangabe
XIV, 84 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Thomas Rattei
Klassifikationen
42 Biologie > 42.10 Theoretische Biologie ,
42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie
AC Nummer
AC12738714
Utheses ID
35457
Studienkennzahl
UA | 066 | 299 | |