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Komplexe Systeme

Schwarmverhalten: Wie Forscher ein faszinierendes Phänomen nutzbar machen

Bei komplexen Systemen wie Vogelschwärmen führt das Wechselspiel von Individuen zu einem geordneten Verhalten einer Gruppe. Ihr Verständnis führt zu Fortschritten etwa in der Nanomedizin.
Introduction to Complex Systems: Patterns in Nature

Veröffentlicht am: 20.05.2013

Laufzeit: 0:07:51

Sprache: englisch

Untertitel: ohne Untertitel

Ilana Schoenfeld ist eine Umweltwissenschaftlerin vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), die in ihrer Abteilung für Lehrerbildung Lehrinhalte für die gymnasiale Oberstufe erstellt.

Wie gelingt es Vögeln und Fischen, aber auch Organisationen und Gesellschaften, ohne Anführer gemeinsam eine Richtung einzuschlagen? Eine Antwort gibt die amerikanische Umweltwissenschaftlerin Ilana Schoenfeld vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in ihrer optisch effektvollen Einführung in die Welt der komplexen Systeme. Das Video auf ihrem YouTube-Kanal legt den Fokus auf das Verhalten von Schwärmen und auf die typischerweise sehr einfachen Regeln, die aus scheinbar willkürlichen Handlungen von Individuen und ihren Interaktionen die zielgerichteten Bewegungsmuster von ganzen Schwärmen oder Gruppen erzeugen.

Ilana Schoenfeld entwickelt in der MIT-Abteilung für Lehrerbildung Lehrinhalte für die gymnasiale Oberstufe. Weil sie einen extrem weiten Bogen schlägt, kann sie die vielen Aspekte der Komplexitätstheorie zwar nur streifen – das aber macht sie sehens- und hörenswert. Gleich zu Beginn definiert sie komplexe Systeme als Systeme, in denen unerwartete Muster und Eigenschaften dadurch auftreten, dass viele einzelne Teile miteinander interagieren. Dieses Phänomen der Emergenz ist jedoch nur eines der vielen Merkmale komplexer Systeme.

Ergänzen ließe sich der Hinweis auf ihre Nichtlinearität: Kleine Störungen des Systems oder minimale Unterschiede in den Ausgangsbedingungen führen häufig zu sehr unterschiedlichen Entwicklungen. Variiert man etwa bei Wettersimulationen Anfangsvariablen wie Temperatur, Wind und Luftfeuchtigkeit, errechnen Computer schon bei kleinsten Veränderungen ein völlig anderes Wetter.

Auch ein sehr konkretes Anwendungsbeispiel zeigt Schoenfeld. Muster, die Forscher dem Schwarmverhalten von Tieren abgeschaut haben, fließen mittlerweile in die medizinische Forschung und in Anwendungen im Bereich der künstlichen Intelligenz ein. So untersucht die von Schoenfeld im Clip interviewte Robotik-Expertin Sabine Hauert von der University of Bristol, wie man große Gruppen von Nanopartikeln zu Teamarbeit in der Krebsbekämpfung bewegt, indem man ihr Design ändert.

In einem Plädoyer für den Einsatz von Nanomedizin in der Krebstherapie und in einem TED-Talk von 2015 berichtet Hauer, wie Nanopartikel, die bereits im Tumorgewebe angelangt sind, dort Energie freisetzen können. Darüber kommunizieren sie mit anderen Nanopartikeln und weisen ihnen den Weg zum Tumor – ganz ähnlich, wie Ameisen ihren Weg zu Futter für Artgenossen mit Duftstoffen markieren.

Dass das Verhalten von Nanopartikeln über ihr Design beeinflusst werden kann, haben sich auch chinesische Forscher zu Nutze gemacht, die Krebs mit winzigen Robotern aus DNA-Bausteinen bekämpfen wollen. Ihre Studie, die im Februar 2018 in Nature Biotechnology erschien, zeigt Behandlungserfolge ohne unerwünschte Nebenwirkungen – bislang allerdings nur an Mäusen. Die Forscher rüsteten die Partikel mit Erkennungsadaptern für das krebsspezifische Eiweiß Nucleolin aus und brachten sie so dazu, sich nach wenigen Stunden in großen Mengen um einen Tumor zu versammeln. Dort setzten sie das Blutgerinnungsenzym Thrombin frei, das in den Äderchen um den Krebstumor herum seine Wirkung entfaltete und ihm so die Versorgungsleitung zudrehte.

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