E19 Kollektive Dynamik

Thema

Das kollektive Verhalten eines Vogelschwarms entsteht aus den lokalen Interaktionen seiner einzelnen Mitglieder, ohne einen zentralen Koordinator oder übergeordneten Plan, der den Schwarm als Ganzes lenkt.

Die Starenschwärme sind das spektakulärste Beispiel für dieses kollektive Verhalten: Gruppen von bis zu einer Million Vögeln bilden und formieren in der Luft Muster von außergewöhnlicher mathematischer Schönheit, ohne dass ein führender Star diese kollektive Bewegung aus der Mitte oder an der Spitze des Schwarms koordiniert.

Statt auf einen Anführer zu reagieren, folgt jeder Star im Schwarm lediglich einfachen Regeln, die auf der Position seiner sechs oder sieben nächsten Nachbarn basieren, unabhängig von der tatsächlichen Entfernung zu ihnen: Für jeden Star ist nicht entscheidend, wie viele Meter ihn von seinen Nachbarn trennen, sondern wie viele Nachbarn er hat – immer dieselben sechs oder sieben nächsten.

Das makroskopische Ergebnis, wenn jeder Star diesen einfachen, auf seinen nächsten Nachbarn basierenden Regeln folgt, ist der Starenschwarm selbst: ein komplexes System, dessen Eigenschaften – die sich verändernde Form des Vogelschwarms, die Geschwindigkeit, mit der sich eine Störung darin ausbreitet – aus der mikroskopischen Interaktion zwischen jedem Star und seinen Nachbarn entstehen, ohne dass diese makroskopischen Eigenschaften in den individuellen Regeln eines einzelnen Stares vorprogrammiert sind.

Dieses kollektive Verhalten erfüllt zudem zwei spezifische ökologische Funktionen. Die erste ist die Verteidigung gegen Fressfeinde: Ein dichter Schwarm verwirrt einen Fressfeind, der versucht, ein bestimmtes Individuum darin abzufangen, und verringert das Risiko für jeden einzelnen Vogel, da ein Fressfeind, der einen ganzen Schwarm angreift, viel größere Schwierigkeiten hat, dasselbe geometrische Problem des Abfangens zu lösen, das er bei einem einzelnen Vogel leicht lösen könnte.

Die zweite ökologische Funktion ist die kollektive Energieoptimierung: In Zugvogelformationen wechselt die Führungsrolle im Laufe der Zeit zwischen verschiedenen Individuen. Dadurch werden die Energieeinsparungen, die einem nachfolgenden Vogel durch die richtige Position innerhalb der Formation entstehen, durch diesen Wechsel auf alle Individuen des Schwarms verteilt, anstatt immer nur denselben wenigen Individuen zugutezukommen, die nie die Führungsposition einnehmen.

Die physikalischen Gesetze, die dieses kollektive Verhalten bestimmen – von den einfachen Regeln der nächsten Nachbarn bis hin zur Ausbreitung einer Störung im gesamten Schwarm – sind dieselben physikalischen Gesetze, die auch das kollektive Verhalten von Fischen, Insekten oder sogar Molekülen während eines Phasenübergangs bestimmen. Das Verständnis des Starenschwarms und das Verständnis des Phasenübergangs eines Materials basieren daher im Wesentlichen auf derselben physikalischen Theorie des kollektiven Verhaltens.

ID:2345