Gesundheit : Flugmanöver: Selbst Atome geraten mitunter ins Schwärmen

Philip Ball

In dem Film "Batmans Rückkehr" von Tim Burton sammelt sich eine Horde Fledermäuse zum Sturzflug, um eine Menschenmenge zu attackieren. Wer hat diese nächtlichen Angreifer trainiert, dass sie sich derart verhalten? Niemand natürlich - es handelt sich schließlich um eine Computer-Animation. Die realistische Darstellung aber ist in erster Linie neuen physikalischen Forschungsergebnissen zum Verhalten von Schwärmen geschuldet.

Das Studium der Bewegung von Tieren ist traditionell ein Schwerpunkt der Biologie. Doch die Biologen konnten niemals klären, wie Vögel, Bienen oder Fledermäuse es fertigbringen, in Formation zu fliegen und ihren Flug so zu koordinieren, als könnten sie darüber in jedem Augenblick eine unmittelbare und einstimmige Übereinkunft erzielen. Im Jahre 1931 sah sich ein Wissenschaftler daher sogar genötigt anzunehmen, dass Vögel über eine Art Gedankenübertragung miteinander kommunizieren.

Forschungsarbeiten, die in den vergangenen beiden Dekaden von Physikern und Computerwissenschaftlern gemacht wurden, haben indessen gezeigt, dass man keine Zauberkräfte heraufbeschwören muss, um das Schwarm- oder Herdenverhalten zu beschreiben. Der Schlüssel zur geschlossenen Bewegung einer Gruppe ist lediglich die Abstimmung jedes Individuums mit seinen jeweiligen Nachbarn.

Friedhofsgedanken

Craig Reynolds, ein Software-Ingenieur der kalifornischen Computerfirma Symbolics, hat in den 80er Jahren während seiner Mittagspause immer wieder die Amseln auf einem nahe gelegenen Friedhof beobachtet. Trotz aller Bemühungen konnte er keinen "Führer" ausfindig machen, dem sämtliche anderen Vögel nacheiferten.

Craig Reynolds war sich bald sicher, dass alle Amseln ein paar einfachen Regeln folgten. Und im Jahr 1987 machte er sich daran, diese Regeln zu finden: Er begann damit, ein Computerprogramm zu entwerfen, eine vereinfachte Nachbildung der Realität, die dasselbe Schwarmverhalten in einer Gruppe virtueller Vögel hervorbringen sollte.

Hallo Nachbar!

Reynolds gab den virtuellen Vögeln drei Anweisungen. Sie mussten dabei nur auf das reagieren, was in ihrer nächsten Umgebung passierte: ihre Geschwindigkeit an die der anderen Mitflieger des Schwarms anpassen, Zusammenstöße vermeiden und sich zur Mitte ihrer lokalen Gruppe hin bewegen.

Es gibt nichts in dieser theoretischen Beschreibung, was vorgibt, wie sich der Schwarm als Ganzes verhält. Die virtuellen Vögel beachten ihre weit entfernten Nachbarn gar nicht. Das Gruppenverhalten entspringt allein der lokalen Interaktion.

Diese Art der kollektiven Bewegung ist für Physiker nichts Geheimnisvolles. Etwas Ähnliches passiert, wenn eine Flüssigkeit gefriert oder ein heißes Stück Eisen während des Abkühlens magnetisch wird. Wissenschaftler nennen diese plötzlichen Veränderungen des Zustands eines Stoffes Phasenübergänge. Und sie beruhen auf einem ähnlichem "Gemeinschaftssinn" der daran beteiligten Atome und Moleküle, wie er bei den Vögeln zu beobachten ist.

Im Eisen zum Beispiel ist jedes Atom ein kleiner Magnet. Man kann ihn sich etwa so wie eine Kompassnadel vorstellen, die in eine bestimmte Richtung weist. Oberhalb einer Temperatur von 770 Grad Celsius zeigen all diese atomaren Nadeln in beliebige Richtungen. Wenn die Temperatur allerdings unter diesen Wert fällt, stellen sich alle Nädelchen in Reih und Glied auf und verstärken das Magnetfeld ihrer direkten Nachbarn dabei. Diese Vorzugsrichtung der kleinen Einzelmagnete erst macht das Eisen als Ganzes magnetisch. Kein Atom bekommt dabei mit, was in einem entfernten Bereich geschieht. Und doch kommen die Atome zu einer Art Übereinkunft, bei Unterschreiten der Übergangstemperatur sämtlich in eine Richtung zu zeigen.

In den frühen 90er Jahren erkannten die ungarischen Physiker Tamas Vicsek und Andras Czirók die Verbindung zwischen den Phasenübergängen und dem Schwarmverhalten. Sie studierten gerade, dass gewisse Bakterien sich zu Ringen zusammenschlossen wie Autos im Kreisverkehr. Vicsek und Czirók dachten sich ein einfaches Modell für diese Bewegung aus. Es besaß große Ähnlichkeit mit Reynolds virtuellen Vögeln - obwohl beide Seiten zu der Zeit noch nichts voneinander wussten. Das Bakterienmodell war sogar noch simpler als das der virtuellen Vögel. Alle Zellen bewegten sich darin mit derselben Geschwindigkeit. Aber die Forscher berücksichtigten auch zufällige Störungen, um nachzuahmen, dass die Zellen manchmal ziellos umherirren.

Die Bewegung der virtuellen Zellen, die Vicsek und Czirók beobachteten, war sehr unterschiedlich. Sie hing davon ab, wie dicht sich die Zellen tummelten und wie das Verhältnis zwischen zufälliger und Gruppenbewegung war. Unter bestimmten Voraussetzungen schlossen sich kleine Ansammlungen von Bakterien zusammen und bewegten sich wie Vogelschwärme. Gab es nur wenige zufällige Störungen, dann verbanden sie sich mitunter zu einem Strom. Waren die Störungen dagegen stark, dann irrten die Zellen willkürlich umher, ohne jedes Zeichen einer kollektiven Ordnung.

Der Wechsel von kollektivem Schwarmverhalten zu unkoordinierter Bewegung kann bei starken Störungen sehr abrupt erfolgen. Die Forscher erkannten darin eine Analogie zu dem Übergang zwischen einem magnetischen zu einem unmagnetische Zustand in Eisen oder einem anderen Metall: Steigende Temperaturen durchbrechen - ähnlich wie die starken Störungen - die gemeinsame Orientierung zwischen den benachbarten Eisenatomen. Es scheint so zu sein, dass Lebewesen allein dadurch, dass sie auf ihre nächsten Nachbarn achten, eine Art Gruppenbewusstsein entwickeln können.

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