Hollywoods Helfer
15. September 2015
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Es ist wohl die größte Choreographie der Welt, wenn Milliarden Heringe in ihren Formationen durch den Atlantik schwimmen. Bei den Heringen, Sardinen, Thunfischen und vielen anderen Arten spielt es keine Rolle, ob es fünfzig, hundert oder eine Milliarde sind. Es klappt auf Anhieb. Sobald etwa fünf Prozent der Fische ihre Richtung ändern, folgt der ganze Schwarm ihnen nach. Mit feinen Sinneszellen im Ohr und einem kanalförmigen Sinnesorgan nehmen Fische jede leichte Druckveränderung und Strömung schnell und präzise wahr.

Wenn jedoch viele Menschen zusammenkommen, wird es schwierig, sie zu kontrollieren. Meistens kommt es zu Komplikationen. Egal ob an Pilgerorten, auf Festivals oder auf Autobahnen, wenn bereits ein ausscherendes Fahrzeug genügt, um einen Stau zu verursachen. Die Natur zeigt, wie es stattdessen gehen könnte.

Das Schwarmverhalten von Tieren fasziniert Wissenschaftler aller Disziplinen – und sie machen es sich zu Nutze. Die Idee für Taucheranzüge kommt von der Haihaut, wasserabweisende Oberflächen nutzen den Lotus-Effekt und Flugzeugrotoren ähneln den Flügeln von Eulen: In der Bionik nutzen Forscher und Ingenieure die Natur als Bauanleitung für die Technik.

Als Forscher das Schwarmverhalten am Computer erstmals nachstellten, waren die Ergebnisse erstaunlich. Nur drei einfache Regeln sind für das komplexe Verhalten von bis  unzähligen Tieren verantwortlich:

1. Bleib immer im Mittelpunkt derer, die dich umgeben.
2. Bewege dich in dieselbe Richtung wie die, die dich umgeben.
3. Halte weiterhin Abstand, falls dir jemand zu nahe kommt.

Von Staren zu Hollywood

Die Regeln stammen aus einem Algorithmus vom Programmierer und Wissenschaftler Craig Reynolds, der Vogelschwärme beobachtete. Für die sind solche Regeln lebensnotwendig. Nähert sich ein Falke einem Schwarm von Staren, vollführen sie augenblicklich synchrone Flugmanöver. So kann sich der Falke auf kein einzelnes Beutetier konzentrieren und es jagen. Stattdessen kann sogar der Jäger zum Gejagten werden. Manche Arten bedrängen ihre Verfolger derart, dass sie nicht mehr mit den Flügeln schlagen können und kurzzeitig flugunfähig werden. Früher oder später suchen sich die Raubvögel leichtere Beute.

1986 simulierte Reynolds anhand dieser Regeln zum ersten Mal künstliche Gruppen am Bildschirm, die sich so realistisch verhielten wie ihre natürlichen Vorbilder. Er ahnte nicht, auf welches Interesse er damit stoßen sollte. Nicht nur in der Wissenschaft, sondern auch bei der Polizei, dem Militär und sogar in Hollywood.

Mit Hilfe solcher Simulationen lassen sich unter anderem Massenpaniken prognostizieren. Heute konzipieren damit Fachleute große Gebäudekomplexe und deren Rettungswege. Das Militär nutzt die Technik für autonome Drohnen, die in Schwarm- formation durch die Luft schweben. Und was auf dem Bildschirm begann, fand auch Anwendung auf der Leinwand. Reynolds Algorithmus berechnete nicht nur die digitalen Pinguine im Film Batmans Rückkehr. Er war auch die Grundlage für computergenerierte Schlachten zwischen Menschen, Orks und Elfen in der Herr der Ringe-Trilogie.

Ameisenlogistik

Ameisen haben das Zusammenleben perfektioniert. Ihre Völker bestehen aus hunderten bis mehreren Millionen Tieren. Jedes übernimmt eine Aufgabe wie Brutpflege, Nahrungssuche, Nestbau oder Erkundung. Gemeinsam meistern sie, was über das Können der Einzelnen hinaus geht – etwa wenn sich Feuerameisen zu einem organischen Floß zusammenschließen, um Gewässer zu überqueren.

Der immense Organisationsaufwand im Ameisenalltag funktioniert nur, weil die Ameisen sich absprechen. Sie kommunizieren über Drüsen, die duftende Pheromone versprühen. Für die Nahrungssuche schwärmen viele Ameisen auf verschiedenen Wegen aus. Jede von ihnen hinterlässt eine Duftspur. Die verdunstet jedoch mit der Zeit. Je länger die Ameisen unterwegs sind, desto geringer ist die Konzentration des Pheromons. Alle nachfolgenden Ameisen wählen den Weg mit der stärksten Konzentration – und damit den Kürzesten. Aus anfänglichem Chaos entsteht eine Ameisenstraße.

Der Mensch nutzt diese Schwarmintelligenz, weil der effektivste Weg auch in der Wirtschaft Zeit und Kosten spart – egal ob bei Briefen, Kurieren oder in der Großlogistik. Der Italiener Marco Dorigo hat aus der Wegfindung von Ameisen den so genannten Ameisenalgorithmus programmiert. Dieser wird heutzutage in vielen Varianten eingesetzt, um die schnellste Verbindung von Buslinien zu berechnen, oder aber die Lieferrouten von Postboten und Kurieren. Der große Vorteil ist, dass sich der Algorithmus bei Veränderungen schnell anpasst.

Die Wurzel alles Guten

Baumwurzeln - Wikipedia
Das Wurzelwerk schwärt unterirdisch in alle Richtungen aus. (Foto: Wikipedia)

Frustrierend ist für Forscher vor allem, dass sie jedes einzelne der Tiere im Auge behalten müssen. Ein Forscherteam der europäischen Weltraumorganisation (ESA) hat deshalb einen ganz anderen Organismus studiert: Pflanzen. Für den Menschen vorerst unsichtbar schwärmen sie unter der Erde aus.

Obwohl sich Tiere und Wurzeln weder auf den ersten noch den zweiten Blick ähneln, bleiben die Schwarmprinzipien dieselben. Die Wurzelspitzen nehmen ständig Informationen aus der Umgebung wahr, etwa die Konzentration an Mineralien und Nährstoffen. So wissen die Wurzeln, wohin sie wachsen sollen.

Anhand ihrer Forschungsergebnisse konzipieren Wissenschaftler und Ingenieure Roboterschwärme. Diese sollen wie ihre natürlichen Vorbilder miteinander kommunizieren, mittels Sensoren Umwelteigenschaften wahrnehmen und sich effektiv verteilen. Das Roboternetzwerk könnte zum Beispiel Planeten und Asteroiden erkunden oder auf der Erde strahlenbelastete Regionen analysieren.

Bakterien belauschen

Auch für andere tödliche Gefahren hat die Schwarmforschung eine mögliche Antwort parat. Multiresistente Keime fordern jährlich viele Todesopfer. Viele Antibiotika töten zwar gefährliche Bakterien ab. Resistente Bakterien überleben das jedoch. Meist sind sie zufällig resistent geworden, durch Genmutationen oder sogar weil sie genetische Informationen untereinander getauscht haben. Die wenigen Bakterien, die den Antibiotika trotzen, sind dann allein auf weiter Flur und können ungestört wachsen. Das Antibiotikum macht sich so selbst entbehrlich. Gleichzeitig greifen die Medikamente auch solche Darmbakterien an, auf die der Mensch angewiesen ist. Die Schwarmforschung könnte in Zukunft helfen, den schädlichen oder gar tödlichen Überlebenskünstlern zuvorzukommen. Man muss den Bakterien nur zuhören.

Das Meeresleuchten auf den Malediven erzeugen marine Bakterien. Sie kommunizieren miteinander und wenn sie eine bestimmte Anzahl erreichen, produzieren sie leuchtende Substanzen. Weshalb, ist bisher nicht endgültig geklärt. (Foto: Doug Perrine)
Das Meeresleuchten auf den Malediven erzeugen marine Bakterien. Sie kommunizieren miteinander und wenn sie eine bestimmte Anzahl erreichen, produzieren sie leuchtende Substanzen. Weshalb, ist bisher nicht endgültig geklärt.

Bakterien sind meist Einzeller, die sich teilen und so exponentiell vermehren. Für viele lohnt es sich erst ab einer gewissen Anzahl, bestimmte Stoffe wie Gifte zu produzieren. Kariesbakterien zum Beispiel geben ihren schädlichen Biofilm erst dann ab, wenn sie  ausreichend viele sind. Quorum sensing heißt es, wenn Bakterienansammlungen ihre Zelldichte messen. Dazu nutzen Bakterien chemische Botenstoffe, die Zellmembranen passieren, an geeignete Rezeptoren andocken und dadurch die gewünschten Reaktionen auslösen. Für zellulären Smalltalk bleibt keine Zeit, denn es geht oft ums Überleben. Etwa dann, wenn andere Bakterien oder das menschliche Immunsystem dem Bakterium gefährlich werden.

Dialekte der Einzeller

Verschiedene Rezeptoren oder Botenstoffe sind mit Dialekten vergleichbar. Nicht alle Bakterienarten können miteinander kommunizieren. Forscher aus München und Frankfurt haben die chemischen Gespräche am Bakterium Photorhabdus luminescens analysiert und mittlerweile den dritten Dialekt entdeckt. Die Forschung an dem Bakterium ist deshalb wichtig, weil viele andere dieselben oder ähnliche Kommunikationsmechanismen aufweisen. Darunter fallen beispielsweise Pest- oder EHEC-Erreger. Auch das Bakterium Pseudomonas aeruginosa nutzt Quorum sensing und zählt zu den häufigsten Keimen in Krankenhäusern. Es verursacht Lungenentzündung und widersetzt sich den meisten Antibiotika. Indem Wissenschaftler die Kommunikation der Zellen beeinflussen, hindern sie die Bakterien beispielsweise daran, Gifte zu produzieren. Das Besondere dabei: Die Zellen überleben zwar, sind aber ungefährlich. Wenn alles weiterhin mit Bakterien bevölkert bleibt, vermehren und verbreiten sich auch resistente Bakterien nur langsam.

Grobe Schätzungen besagen, dass bisher lediglich ein Prozent aller Bakterien überhaupt identifiziert worden ist. Die Wissenschaft hat also auch in Zukunft noch lange nicht ausgeforscht. Dafür ist die Natur zu einfallsreich.

(Titelbild: Octavio Alburto)

Mathias Tertilt

Mathias Tertilt

Stellv. Chefredakteur (Print)
Kommt vom Dorf und liebt die weite Welt. Schreibt für den Münchner Merkur, lebte in Mexiko. Hat Biologie studiert und ist fasziniert von der Wissenschaft. Greift trotzdem lieber zum Stift als zur Pipette.
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