Biologie Und nun alle zusammen

Bis zu 50 Millionen Vögel fliegen in manchen Schwärmen, völlig koordiniert und ohne jede Kenntnis von Mathematik oder Physik. Können wir davon etwas lernen?

Von Katrin Blawat und Lukas Felzmann (Fotos)

Merkwürdige schwarze Walzen rollen im Winter über die Felder in den USA. Obwohl die Gebilde riesige Ausmaße haben, wirken sie trotzdem federleicht. Oder vogelleicht. Denn was da über die Äcker zieht, sind Singvögel: Stärlinge, die sich zu riesigen Schwärmen zusammengeschlossen haben. In Texas haben Forscher einen von ihnen auf 50 Millionen Individuen geschätzt. 50 Millionen. Ungefähr so viele Menschen wohnen in Bayern, Baden-Württemberg, Nordrhein-Westfalen und Niedersachsen zusammen. Man stelle sich nur vor, sie alle sollten sich innerhalb von Sekunden auf eine gemeinsame Richtung verständigen, friedlich - und vor allem so, dass jeder gleichermaßen auf seine Kosten kommt.

Sie tanzen ein gewaltiges Ballett der Lüfte, formen in Windeseile immer neue Wolken der Bewegung: Es sind Millionen Stärlinge, mittelgroße Vögel aus der Ordnung der Sperlingsvögel. Sie sammeln sich jeden Winter im kalifornischen Sacramento Valley für ihren Zug nach Süden. Lukas Felzmann fotografiert sie seit 1992 immer wieder. Alle Bilder in diesem Text stammen von ihm.

Stärlinge, wie schafft ihr das?

Die Antwort ist erstaunlich simpel. Dem einzelnen Vogel geht es lediglich darum, zwei Grundbedürfnisse zu befriedigen: Futter und Schutz. Letzterer bietet ihnen der Schwarm, weil es kaum ein Raubtier der Erde oder der Lüfte mit so einem dichten Gewusel aufnehmen kann. Und damit jeder Stärling trotz der starken Futterkonkurrenz seinen Teil an den Samen abbekommt, setzt sich nach einiger Zeit der hinterste Vogel an die Spitze, wo der Acker noch nicht leer gepickt ist. Seine Artgenossen machen es ihm nach, bis das einst vorderste Tier wieder auf der Schlussposition hockt. So wälzt sich die Gruppe in Zeitlupe über das Feld.

Die auf dieser Doppelseite gezeigten Stärlings-Schwärme aus dem Fotoband "Swarm" (Lars Müller-Verlag) sind nur ein paar Beispiele für die Fähigkeit vieler Tiere, sich in enormer Anzahl scheinbar mühelos zu koordinieren. Wie von selbst scheinen sie Chaos in Ordnung zu verwandeln, während es sonst im Leben ja meist andersherum läuft. Und während sich Forscher mit physikalischen Modellen und komplexen Algorithmen herumschlagen müssen, ist für die Tiere alles ganz einfach. Das eigene Wohlergehen nicht aus den Augen verlieren und sich an zwei oder drei simplen Regeln orientieren - viel mehr braucht es nicht, um einen Schwarm zu koordinieren.

"Ein Fisch oder Vogel im Schwarm macht keine Physik, sondern achtet bloß auf das, was sein Nachbar tut", sagt Iain Couzin in seinem etwas zusammengewürfelt wirkenden Büro an der Universität Konstanz. Erst vor einem guten Jahr ist der Biologe von der Princeton University an den Bodensee umgezogen, um dort dem Geheimnis der Schwärme weiter nachzuspüren. Derzeit beschäftigt sich Couzin jedoch hauptsächlich mit Bauzeichnungen und der Frage, wie viele Steckdosen ein Büro braucht. In den kommenden Jahren soll in Konstanz ein technisch hoch ausgerüstetes Forschungsgebäude entstehen, das "Center for Visual Computing of Collectives" (VCC). Dahinter steht nicht zuletzt auch die Hoffnung, die Erkenntnisse über Tierschwärme auf das menschliche Leben übertragen zu können, etwa um selbstfahrende Autos zu programmieren oder streuende Krebszellen zu bekämpfen. Allein 27 Millionen Euro Baukosten für das neue Forschungszentrum wurden im April bewilligt, weitere fünf Millionen Euro zur Erforschung unter anderem der Frage, was einen Schwarm eigentlich im Innersten zusammenhält.

Das sind zunächst einmal ein paar ganz einfache Regeln: Passe Richtung und Geschwindigkeit der Bewegung an deine Nachbarn an. Bleibe möglichst dicht bei ihnen, aber vermeide Kollisionen (das gelingt nicht immer). "In größerem Rahmen gelten diese Regeln für viele Systeme", sagt Couzin, der auch Direktor am Max-Planck-Institut für Ornithologie im nahegelegenen Radolfzell ist. "Die Einzelheiten unterscheiden sich je nach Tierart." Bei Heuschrecken zum Beispiel ergibt sich alles aus dieser einen Regel: "Lass dich nicht von Artgenossen fressen!" Wenn die Nahrung knapp ist, rücken sich Heuschrecken an den wenigen Futterplätzen notgedrungen auf die Pelle - und werden zu Kannibalen. Allein aus der Flucht vor den gefräßigen Artgenossen entsteht eine Gruppe, die sich scheinbar zielgerichtet fortbewegt. Wer sich mit Schwärmen beschäftigt, lernt schnell: Das vermeintlich Komplexe entsteht aus sehr einfachen Motiven und Regeln. Im Schwarm verhalten sich Individuen ähnlich wie Elektronen in einem Magnetfeld.

Trotzdem haben die Parallelen zur unbelebten Welt Grenzen. Schon auf die Frage, warum überhaupt sich Tiere zu riesigen Gruppen zusammenschließen, gibt es in vielen Fällen keine eindeutige Antwort. Schließlich hat das Leben im Schwarm auch Nachteile. Raubtiere bemerken eine ganze Schule eher als einen einzelnen Fisch, und die Mitglieder des Schwarms konkurrieren um Futter.

Dennoch wiegen die Vorteile offenbar stärker. Im Gewusel einer großen Gruppe kann ein Angreifer kaum noch ein einzelnes Beutetier ausmachen. Die vielen Individuen im Innern des Schwarms sind sowieso bestens geschützt. Die oft zitierte Energie-Ersparnis beim Fliegen oder Schwimmen im Schwarm hingegen spielt nur in den wenigsten Gruppen eine Rolle, etwa für Gänse in V-Formationen und für manche Fischschulen. "Der Formationsflug ist die Ausnahme", sagt Couzin. In anderen Schwärmen müssten die Tiere wegen der von ihren Nachbarn erzeugten Turbulenzen im Gegenteil sogar mehr Energie aufwenden.

Dafür bietet ihnen die Gruppe eine andere Verlockung: etwa stets so sehr auf dem Laufenden zu sein, wie sie es allein niemals hinbekämen. Mag der Mensch auch noch so stolz sein auf sein Breitband-Internet und die Geschwindigkeit, mit der er seine Artgenossen über Neuigkeiten und Banalitäten informiert - gegen den Nachrichtenfluss im Schwarm wirkt jeder Onlinedienst wie ein Vorreiter des Entschleunigungstrends. Der entscheidende Vorteil von Schwärmen ist vielen Forschern zufolge die rasante Informationsverbreitung. Ein einzelner Stärling zum Beispiel braucht im Labor knapp 40 Millisekunden, um auf einen Lichtreiz zu reagieren. Im Schwarm dagegen dauert es nur halb so lange, bis jeder Vogel einen Richtungswechsel mitbekommt.

Doch wäre niemandem geholfen, wenn sich jede Neuigkeit zwar in Windeseile verbreitet, dabei vor lauter Hektik aber immer stärker verfälscht wird. In menschlichen Netzwerken lässt sich das kaum vermeiden. Schwärme hingegen sind gegen dieses Stille-Post-Prinzip immun, weder schwächt sich die Information ab, noch verändert sie sich. Allerdings darf der Schwarm dafür nicht beliebig groß sein, das haben Forscher um Andrea Cavagna von der Sapienza-Universität in Rom gezeigt. Demnach sollten Stare entweder in Gruppen von mindestens 10 000 oder maximal 1 000 000 Artgenossen unterwegs sein. In beiden Fällen breiten sich Informationen mit großer Geschwindigkeit wellenförmig aus. Die Art der Wellen unterscheidet sich dabei zwischen den riesigen und den vergleichsweise kleinen Gruppen. Bildet sich nun kurzfristig ein mittelgroßer Schwarm, dämpfen sich die beiden Wellentypen gegenseitig. Der Informationsfluss reißt ab, der Schwarm zerbricht in mehrere kleine Gruppen.

Sehr viel magerer werden die Erkenntnisse, richtet man den Fokus auf die einzelnen Mitglieder eines Schwarms. Wie genau nehmen sie etwa den Richtungswechsel ihrer Nachbarn wahr? "Darüber wissen wir bislang nur sehr wenig", sagt Couzin - eine Erkenntnislücke, die man im neuen Forschungszentrum in Konstanz schließen möchte. Aus einem Stapel Papier kramt der Biologe einen farbigen Grundriss hervor und deutet auf das Herzstück der neuen Laboranlage. In einer 15 mal 15 Meter großen Halle wollen die Forscher reale Vögel einer virtuellen Realität aussetzen. In dieser lässt sich zum Beispiel gezielt ein Angriff durch ein Raubtier simulieren, während die Forscher das Gesichtsfeld einzelner Schwarmmitglieder erfassen. Außerdem entwickeln die Wissenschaftler derzeit Minisensoren, um physiologische Parameter wie Herzrate und Atemfrequenz einzelner Tiere zu messen.

Was auch immer der einzelne Fisch oder Vogel in der Gruppe macht - das Ergebnis in Form der sprichwörtlichen Schwarmintelligenz kann sich sehen lassen. In einem Experiment sollten zum Beispiel Östliche Moskitofische wählen zwischen einer Route ohne Störungen und einer, die an einer Raubfisch-Attrappe vorbei führte. Im Einzelversuch schnitt jedes Tier mittelmäßig ab. Als die Forscher um Ashley Ward von der University of Sydney jedoch die Fische im Schwarm vor die gleiche Aufgabe stellten, entschied sich die Gruppe eindeutig für die Route ohne Angreifer - und das auch noch schneller als in den Einzelversuchen.

Zahlreiche ähnliche Beispiele zeigen: In der Gruppe treffen Tiere oft die klügere Wahl, als wenn sie auf sich allein gestellt sind. Dies hat dazu geführt, dass viele Menschen die "Weisheit der Vielen"als eine geradezu mystische Erfolgsformel verklären. Schließlich hat schon Francis Galton, ein Cousin von Charles Darwin, im Jahr 1906 mit seiner berühmten Ochsen-Schätzung gezeigt, dass auch Menschen von Schwarmintelligenz profitieren können. (Ironischerweise wollte er eigentlich das Gegenteil demonstrieren, nämlich die "Dummheit der Masse".) Galton analysierte die Beiträge von knapp 800 Wettbewerbs-Teilnehmern, die das Gewicht eines Ochsen schätzen sollten. Die einzelnen Angaben lagen oft weit daneben. Doch der Mittelwert aller Tipps war erstaunlich genau. Das tatsächlich 1207 Pfund schwere Tier wurde demnach auf 1198 Pfund geschätzt.

Seit diesem Wettbewerb wurden unzählige Angestellte zum vermeintlich effizienten Brainstorming verdonnert, stets in der - mittlerweile lange widerlegten - Hoffnung, damit besonders gute und kreative Lösungen zu finden. Warum funktioniert das nicht? Weil Menschen in so einer Situation nicht auf ihre eigenen Einfälle vertrauen, sondern sich automatisch auch an denen ihrer Nachbarn orientieren. Das Prinzip der Schwarmintelligenz baut hingegen darauf, dass die einzelnen Gruppenmitglieder ihre persönliche Wahl unabhängig voneinander treffen. Erst danach dürfen die Einzelmeinungen zusammengeführt werden. Besonders plastisch wird die Verzerrung durch "soziale Information" - also dem Verhalten anderer - an einer roten Fußgängerampel. Irgendwann marschiert der erste los - und andere folgen ihm. Sie vertrauen der sozialen Information mehr als dem tatsächlichen Geschehen um sie herum, das sie mit eigenen Sinnen wahrnehmen. Eine möglicherweise fatale Entscheidung. Zum Trost für die Menschheit: Auch Tiere geraten in vergleichbare Konflikte.

Vermeiden lassen sich solche Probleme häufig durch kleinere Gruppengrößen. Couzin zufolge bleiben die Mitglieder dann empfänglicher für Reize aus der Umwelt. Die Individuen können die Lage dann sozusagen nicht nur durch Sekundärquellen - das Verhalten ihrer Nachbarn - einschätzen, sondern auch mittels Informationen aus erster Hand. Ob das Argument der kleineren Gruppen aber in jedem Fall gilt, und ob riesige Schwärme diesem Problem vielleicht anders entgegensteuern, ist noch unklar.

Wie etwas entschieden wird, hängt auch davon ab, wer das tut. In einem Schwarm kann das potenziell jeder sein. Hierarchien und Dominanz spielen dort kaum eine Rolle. Vielmehr fallen Entscheidungen auf annähernd demokratische Weise. Jeder Stärling, der meint, jetzt sei die Gruppe gut mit einem Richtungswechsel beraten, kann diesen initiieren. Ob die anderen folgen, hängt von den übrigen kursierenden Ideen ab. Eindrücklich gezeigt hat dies ein Team um Ariana Strandburg-Peshkin von der Princeton University. Für eine Science-Studie im vergangenen Jahr statteten die Forscher eine Pavian-Gruppe in Kenia mit GPS-Sendern aus. Gab es in der Gruppe zwei Vorschläge mit konkurrierenden Richtungen, wählten die übrigen Tiere buchstäblich den Mittelweg, wenn die beiden Vorschläge um höchstens 90 Grad voneinander abwichen. Unterschieden sie sich stärker, entschied sich das einzelne Tier für jene Richtung, in die bereits die Mehrzahl seiner Artgenossen gelaufen war. So bleibt die Gruppe basisdemokratisch zusammen.

Für Couzin, der an der Pavian-Studie ebenfalls beteiligt war, ist es zumindest in der Theorie nur ein kleiner Schritt von Affen in Kenia hin zu menschlichen Zellen. In der Embryonalentwicklung, zur Wundheilung oder bei der Streuung von Tumoren bewegen sich diese ebenfalls koordiniert. Irgendwann, so hoffen die Wissenschaftler, lassen sich die Erkenntnisse über Vögel, Fische und Insekten im Schwarm nutzen, um auch den Menschen besser zu verstehen. Im Verhalten sind die Parallelen sowieso offensichtlich: In der Gruppe passt auch der Homo sapiens seine Geschwindigkeit, Bewegungs- und Blickrichtung den anderen an. So bilden zum Beispiel Fußgänger innerhalb kurzer Zeit Spuren wie auf einer Autobahn. "Menschen gehören zu den am besten vorhersagbaren Organismen", sagt Couzin. "In der Menge verhalten wir uns auf eine bemerkenswerte Weise wie physikalische Partikel."