Helmut Satz - Heuschrecken haben keinen König

Eine weitere Variante dieses Spiels entsteht, wenn die Deckel aus Metall sind und zwischen den entgegengesetzten Tischseiten ein elektrisches Spannungsgefälle herrscht. Dann wird nämlich beim Wurf des letzten Deckels, bei demjenigen, der die Verbindung herstellt, ganz plötzlich Strom fließen. Ein solches abruptes Einsetzen von elektrischer Leitfähigkeit ist somit auch wieder ein Perkolationsprozess. Ein weiteres, von Perkolationstheoretikern sehr geschätztes Beispiel erhält man, wenn der Tisch ein Teich und die Bierdeckel Seerosen der erwähnten Größen sind. Dann kann bei etwa 110 Seerosen, und erst dann, eine Ameise den Teich trockenen Fußes überqueren.

Wir sehen bei diesen Vorgängen, dass die Vereinigung vieler, willkürlich verteilter Einzelteile zu einem zusammenhängenden Ganzen nicht graduell, sondern sehr abrupt geschieht. Kehren wir nun mit diesen Vorstellungen zu den Heuschrecken zurück. Jede einzelne, noch im Solitärzustand, verbreitet um sich ein Gebiet, in dem es ungern Artgenossen vorfindet. Wenn diese „Eigenterritorien“ eine Größe von jeweils 100 cm 2hätten, dann würde erst eine Ansammlung von mehr als 110 Heuschrecken auf einem Quadratmeter nach der Perkolationstheorie ein zusammenhängendes Ganzes bilden. Ein Serotoninstrom könnte fließen und damit ein Schwarm entstehen. Und diese Erwartung entspricht durchaus den Tatsachen.

Bei weniger als 50 Tieren pro Quadratmeter verhalten diese sich noch meist solitär, und erst ab 75 oder mehr Mitgliedern setzt der gregäre , also der Versammlungszustand ein. Wenn auf jedem unserer Bierdeckel eine Heuschrecke sitzen würde, dann würde das Bierdeckelspiel nun einen Schwarm erzeugen.

Es ist offensichtlich kaum möglich, Abstände bei fliegenden Heuschrecken zu untersuchen. Aber erfreulicherweise (für die Heuschreckenforscher) bilden ja auch die noch nicht flugfähigen Nymphen Banden, die, wie die Bibel feststellt, „in geordneten Scharen“ umherziehen. Das kann man, wie wir im vorigen Kapitel gesehen haben, ausnutzen, und die dort erwähnten Ergebnisse für das Verhalten von Heuschrecken bei variierender Dichte entsprechen ja tatsächlich einem Perkolationsverhalten. Zunächst, bei nur wenigen Teilnehmern, krochen die Tiere in der Arena einzeln in verschiedenen Richtungen umher, dann in willkürlich bewegten kleinen Gruppen, und erst ab etwa 50–100 Tieren pro Quadratmeter änderte sich das Verhalten schlagartig: Jetzt entstand eine Große Gruppe, die gemeinsam, alle in einer Richtung wie ein strömender Fluss die Arena umkreiste. Der Schwarm war geboren. Die Ähnlichkeit dieses Vorgangs mit unserem Bierdeckelspiel und den dabei entstehenden Inseln bis hin zur Perkolation ist schon frappierend und sicher nicht zufällig. Dichte erzeugt Verbindung und Zusammenhang, und das wiederum führt auf gleichförmiges Verhalten.

Die Perkolationstheorie und das plötzliche Entstehen von zusammenhängenden Gebilden findet wie gesagt eine Vielzahl von Anwendungen in den verschiedensten Bereichen. Dicht zusammengepresste Atomkerne bilden eine neue Form von Materie, Quarkmaterie, aus der das sehr frühe Universum bestanden hat. Gaswolken im etwas späteren Universum treffen zusammen und bilden Galaxien. Und in dem uns hier interessierenden Bereich bilden sich fast immer Schwärme, wenn genügend viele Tiere auf engem Raum zusammenkommen.

Es gibt aber noch weitere Fragen zu unserem Thema, die man durch simple Perkolation nicht beantworten kann. Der Schwarm besteht ja nicht nur aus irgendwie zusammengedrängten Tieren, die einander nun mögen; sie bewegen sich ja auch alle in die gleiche Richtung. Wie verwandelt sich eine Menge von wahllos durcheinanderkrabbelnden Tieren – eines hierhin, das andere dorthin – in eine geordnete Marschtruppe, in der alle zusammen in eine bestimmte Richtung ziehen? Zu diesem Problem kehren wir gleich zurück, nachdem wir zunächst das ganz ähnliche Problem bei Starenschwärmen erläutert haben.

Foto: Tommy Hansen

Der Palazzo Massimo in Rom liegt im Zentrum der Stadt, schräg gegenüber vom Hauptbahnhof Roma Termini und beherbergt eine der größten Sammlungen römischer und griechischer Kunst und Kultur. In den drei Wintern von 2004 bis 2006 fanden dort ungewöhnliche Vorgänge statt. Eine Gruppe von Wissenschaftlern der Universität Rom, Biologen und Physiker, hatten auf dem Dach des Palazzo stereografische Hochgeschwindigkeitskameras installiert, mit denen sie Millionen von Aufnahmen von Vogelschwärmen machten, die auf nahe gelegenen Bäumen übernachteten, um dann tagsüber zur Futtersuche auf ferne Felder zu fliegen. Es handelte sich dabei um die allgemein bekannten Stare (Abb. 4.1), die die Angewohnheit haben, bei der abendlichen Heimkehr längere Zeit in großen Schwärmen Kunstflugformationen vorzuführen – Massenflüge, die bis zu einer halben Stunde anhalten und an denen je Schwarm mehrere Tausend Vögel teilnehmen. So entstehen am Himmel dreidimensionale Gebilde, die herumwirbeln, sich ausdehnen und wieder zusammenziehen, aufsteigen und dann wieder herunterkommen. Wie diese Schwärme zustande kommen und koordiniert werden, war schon immer ein Rätsel; es gibt sicher keinen Choreografen, der die Manöver der Formationen plant und leitet. Die Schwärme müssen sich irgendwie selbst organisieren und ihre Bewegungen bestimmen, durch wechselseitigen Informationsaustausch zwischen den einzelnen Vögeln. Für die Biologen war das schon lange Zeit ein ganz wesentliches Rätsel. Vor den römischen Untersuchungen gab es nur sehr dürftige und kaum aufschlussreiche Daten über recht kleine Vogelgruppen. Andrerseits hatte der Computertheoretiker Craig Reynolds 1987 in Kalifornien ein Programm entwickelt, in dem er Roboter (er nannte sie boids ,als Abkürzung von birdoids ) frei umherlaufen ließ, mit nur einer einfachen örtlichen Regel:

Abb. 4.1Europäischer Star ( Sturnus vulgaris ).

Bleib bei deinem Nachbarn, bewege dich in die gleiche Richtung wie er, aber bedränge ihn nicht.

Das Ergebnis dieses Programms war das Entstehen von Boid-Gruppen, die sich wie Schwärme im Raum bewegten. Es war somit sicher wichtig, zusätzliche und detailliertere Informationen über Struktur und Verhalten von wirklichen Vogelschwärmen zu bekommen.

Das Ziel des gerade erwähnten und von der Europäischen Union geförderten Forschungsprojekts STARFLAG in Rom war es, die empirische Basis für eine systematische Untersuchung dieses Phänomens zu schaffen. Als mein Kollege Giorgio Parisi , Physiker und Koordinator dieses EU-Projekts mir von den Ergebnissen berichtete, meinte ich sofort, dass man die dort gewonnenen Erkenntnisse mithilfe von ähnlichen Strukturen in der statistischen Physik würde erklären können. Giorgio erwiderte nur, dass ich damit leider zu spät käme – das sei schon vor mehr als zehn Jahren durchgeführt worden, noch vor den Aufnahmen in Rom, nur als eine Modellvorstellung, mit der der ungarische Physiker Tamás Viczek und seine Mitarbeiter zusammenfassend das Schwarmverhalten von verschiedensten Tieransammlungen untersuchen wollten, das von Vögeln wie auch das von Fischen. Wir werden später noch auf diese Arbeiten zurückkommen, nachdem wir einige Ergebnisse der statistischen Physik etwas näher erläutert haben.

Die Kommunikation innerhalb eines Vogelschwarms hat wie gesagt Forscher schon seit Langem vor Rätsel gestellt. Wie ist es möglich, dass so viele Vögel fast gleichzeitig zur Wendung ansetzen oder fast gleichzeitig landen? Wie wird Information innerhalb des Schwarms weitergegeben? Der britische Ornithologe Edmund Selous hat vor 100 Jahren vermutet, da sei eine Form von Telepathie im Spiel, es gäbe eine kollektive Intelligenz, die alle Vögel miteinander verbindet. Heute aber haben wir aus der statistischen Physik gelernt, dass eine kurzreichweitige Wechselwirkung zwischen benachbarten Teilchen durchaus unmittelbare langreichweitige Konsequenzen zwischen vielen haben kann. Im folgenden Kapitel werden wir näher darauf eingehen. Die inhärente, lokale Reichweite der Wechselwirkung zwischen einzelnen Teilchen und die daraus resultierende effektive, globale Reichweite sind absolut nicht gleich.