Der Schwarm am Rande des Chaos

von Fiona McMillan-Webster

Trotz solch hierarchischer Bezeichnungen wie Königin und Arbeiterinnen gibt es im Bienenstock keine „top-down“-Entscheidungsfindung. Wenn es beispielsweise darum geht, ein neues Zuhause zu finden oder um Widerstandsfähigkeit gegen sich ändernde klimatische Bedingungen zu gewährleisten, treffen Bienen ihre Entscheidungen kollektiv und nutzen dabei die Intelligenz ihres Schwarms. Wie bei Honigbienen führt auch im menschlichen Gehirn kein einziges Neuron komplexe Entscheidungen allein durch – es handelt sich um Gruppenarbeit. In ihrem Essay geht die Wissenschaftsautorin Fiona McMillan-Webster den Parallelen zwischen menschlichen und nicht-menschlichen Formen gemeinschaftlicher Intelligenz nach und untersucht, wie diese es ihnen ermöglichen, „an der Grenze zwischen Chaos und Ordnung“ zu verweilen.

Ana Prvački, Sexually Mature Female, 2021

Ana Prvački, Sexually Mature Female, 2021. Aquarell, 21×16cm. Courtesy: die Künstlerin und 1301PE Gallery, Los Angeles

„Indem sie ohne Oberhaupt agieren, umgehen die Kundschafterinnen eines Bienenschwarms eine der größten Gefahren für gute Entscheidungsfindung in Gruppen: eine*n dominierende*r Anführer*in. Eine solche Person schränkt die kollektive Fähigkeit der Gruppe ein, verschiedene mögliche Lösungen für ein Problem zu finden, diese Möglichkeiten kritisch zu bewerten und alle bis auf die beste auszusortieren.“

— Thomas D. Seeley, Bienendemokratie (2021)

Im späten Frühjahr und Frühsommer wird ein Bienenstock zu einem hektischen, überfüllten Ort, an dem Scharen von neuen Bienen aus ihren Zellen schlüpfen, um sich den älteren Tieren anzuschließen, die bereits den Winter überdauert haben. Während dieser Zeit signalisiert eine neue Königin, noch fest in ihrer versiegelten Zelle eingeschlossen, durch deutliche Quakgeräusch, dass sie bereit ist, hervorzukommen. Es ist an der Zeit, dass sich die Kolonie teilt – ein für das Überleben notwendiger Akt der Spaltung, bei dem sich die alte Königin mit bis zur Hälfte der Kolonie auf den Weg macht, um ein neues Zuhause zu finden. Der Schwarm beginnt seinen Flug und bildet eine lebende Wolke, die sich bald zu einer lauten und bebenden Masse mit einer sich ständig bewegenden Oberfläche verdichtet. Tausende von Honigbienen krabbeln über- und untereinander und sind von einem Schleier aus Hunderten weiteren Tieren umhüllt, die kontinuierlich ankommen und abfliegen. Dieses Phänomen, das einige Stunden bis Tage andauert, ist beunruhigend und eindrucksvoll zugleich und bietet einen seltenen Einblick in das schwer fassbare Innenleben einer Entscheidungsfindung.

Während sich der Schwarm an einem vorläufigen Standort sammelt, fliegen Hunderte von Kundschafterinnen in alle Richtungen, um nach einem geeigneten neuen Quartier zu suchen. Zum Glück sind Honigbienen hervorragende Navigator*innen und haben ein exzellentes Gespür für Grundstücke. Jede Kundschafterin entfernt sich einige Kilometer weit vom alten Stock und sucht nach einer geschützten Höhle in einer hohen Lage, die Platz für den Bau einer Wabe bietet. Diesen Zweck erfüllen oft Baumhöhlen, ebenso wie Lücken zwischen den Wänden eines Gebäudes; auch ein Schornstein kann genutzt werden. In der nördlichen Hemisphäre bevorzugen Bienen eine Öffnung mit Südausrichtung, um die Wintersonne optimal nutzen zu können. Auch die Größe der Öffnung ist wichtig, ebenso wie das Volumen des gesamten Hohlraums. Ist er zu groß, gibt es kaum strukturelle Unterstützung für die Waben; ist er zu klein, wird das Gedränge schnell zu einem Problem. Es gibt mehrere Kriterien und alle sind entscheidend, denn ohne einen guten Platz für den Wabenbau können Honigbienen weder Honig einlagern noch eine neue Generation hervorbringen. Doch lange Überlegungen können gefährlich werden, denn solange der Schwarm an seinem Übergangsstandort bleibt, ist er ungeschützt und vulnerabel.

Auf der Suche nach einem neuen Zuhause, sieht sich ein Schwarm oft mit mehr als einem Dutzend Kundschafterinnen konfrontiert, die ihre Lobestänze für ebenso viele potenzielle Standorte aufführen. Doch trotz hierarchischer Bezeichnungen wie Königin und Arbeiterinnen herrscht innerhalb des Bienenvolks keinerlei „top-down“-Entscheidungsstruktur. Der Biologe Thomas Seeley erforschte jahrzehntelang das Verhalten von Honigbienen und stellte zusammen mit seiner Kollegin Susannah Buhrman in  Behavioural Ecology and Sociobiology (1999) fest, dass „es keine allwissende Aufsichtsbiene [gibt], die alle Bewertungen zusammenstellt und den besten Standort auswählt.“ Die Gruppe entscheidet – und was als Nächstes passiert, bestimmt – und offenbart – die Schwarmintelligenz.

Ana Prvački, Sexually deceptive pollination, 2021

Ana Prvački, Sexually deceptive pollination, 2021. Aquarell, 21×16cm. Courtesy: die Künstlerin und 1301PE Gallery, Los Angeles

Wenn eine Kundschafterin einen potenziellen Standort ausfindig gemacht hat, kehrt sie zum Schwarm zurück und führt einen sogenannten Schwänzeltanz auf, der zahlreiche Informationen enthält. Durch seine Ausrichtung und Dauer gibt der Tanz beispielsweise Aufschluss über die Richtung und Entfernung des Ortes; die Qualität des Standorts wird hingegen durch den Enthusiasmus der Tänzerin vermittelt – je überschwänglicher die Darbietung und je öfter sie denselben Ort aufsucht, desto besser die potentielle Unterkunft. Gleichzeitig ist dieser Enthusiasmus ein exzitatorisches Signal, das andere Kundschafterinnen dazu bringt, der Tänzerin zu einem vielversprechenden Ort zu folgen. Sind diese dann ebenfalls von der Qualität des Ortes überzeugt, kehren sie zurück, um denselben Tanz aufzuführen. Das wiederum weckt Interesse von weiteren Kundschafterinnen und so setzt sich der Prozess gemäß der berechenbaren Mathematik der Ansteckung fort. Eine Kundschafterin, die dagegen einen minder attraktiven Standpunkt entdeckt, tanzt nicht so eifrig und löst daher weniger Interesse aus, wodurch ihr eine geringere Anzahl an Anhängerinnen zu diesem Ort folgen wird. Wenn es also unter allen Optionen einen besonders hervorstechenden Standpunkt gibt, wird dieser ausdauernder und von mehr Bienen beworben, wodurch es schnell zu einer Entscheidung kommen kann.

Die Verfügbarkeit mehrerer hochwertiger Standorte macht die Sache komplizierter. In diesem Fall kommt es nicht nur auf den Grad der ansteckenden Begeisterung an; es gibt auch hemmende Signale – Gegenstimmen, wenn man so will. Eine Befürworterin von Standort „A“ kann eine Nachbarin, die für Standort „B“ tanzt, mit einem kurzen Stoß stoppen. Auf diese Weise kommt es zu Rückkopplungsschleifen – die Unterstützung für konkurrierende Orte steigt und fällt. Im Laufe von Stunden und Tagen verstärken sich feine Unterschiede, und selbst der kleinste Vorteil eines Ortes gegenüber einem anderen wird entscheidend und führt unweigerlich zum Moment des Quorums, der Beschlussfähigkeit.

Wenn Kundschafterinnen einen hochwertigen Standort erkunden, können sie spüren, wie viele ihrer Artgenossinnen dort bereits angekommen sind, um dasselbe zu tun. Über das Sehen, taktile Interaktionen oder ihren Geruchssinn nehmen sie wahr, dass ein Ort zu einem höchst empfehlenswerten Bauplatz geworden ist – die Arithmetik der Evolution sorgt dafür, dass dies nur bei einer besonders geeigneten Umgebung geschehen kann. Wenn sie merken, dass eine Beschlussfähigkeit erreicht ist, kehren die Kundschafterinnen zu ihrem Schwarm zurück, um über ein Pfeifsignal zu verkünden, dass eine Entscheidung gefallen ist.

Es handelt sich um eine Entscheidung mittels Quorum, nicht durch Einstimmigkeit. Die überwältigende Mehrheit des Schwarms – etwa 95 Prozent – hat sich während der ganzen Zeit aus der Entscheidungsfindung herausgehalten und sich hauptsächlich damit befasst, das Bienenvolk in einer unsicheren Umgebung zusammenzuhalten. Sie vertraut darauf, dass sich die Hunderten von Kundschafterinnen beraten und ihnen dann verkünden, wohin sie fliegen sollen. Nach dieser Bekanntmachung wärmen die Tausende von Honigbienen ihre Flugmuskeln auf – und machen sich gemeinsam auf den Weg in ihr neues Domizil.

Die Schwarmintelligenz der Honigbienen wird für viele Entscheidungen eingesetzt – um einen geeigneten Standort zu finden, aber auch um einen guten Platz für die Futtersuche ausfindig zu machen, einem Raubtier auszuweichen oder kollektive Stärke gegen die rohen Kräfte eines heftigen Sturms aufzubringen. Auf diese Weise wird ein Schwarm zu einem Ganzen, das weit größer ist, als die Summe seiner Teile – etwas, das Biolog*innen oft als komplexes adaptives System oder Superorganismus bezeichnen.

© Wikimedia Commons

Ein Superorganismus meint eine Population von Individuen, die so weit zusammenarbeiten, dass sie sich in ihrer Gesamtheit wie ein einziger Organismus verhalten. Mit dieser Eigenschaft sind Honigbienen nicht allein – auch andere soziale Insekten wie z.B. Ameisen, Termiten, Wespen und Blattläuse sind für dieses Verhalten bekannt. Ein Schleimpilz, der aus einzelligen Amöben besteht, funktioniert ebenfalls als eine Einheit. Auch die portugiesische Galeere, eine atlantische Quallenart, scheint sich ähnlich zu verhalten: Jede von ihnen besteht aus einer Kolonie genetisch identischer Organismen, die unterschiedliche Funktionen erfüllen. Manchmal scheinen Superorganismen auch in flüchtigen Zuständen kollektiven Verhaltens aufzutauchen: ein Schwarm europäischer Stare inmitten eines hypnotischen Rauschens beispielsweise, oder ein silbriger Schwarm atlantischer Makrelen, der eine kolossale wirbelnde Masse bildet, um Raubtiere abzuschrecken. In einigen Fällen gehen Superorganismen sogar über die Grenzen einer einzelnen Art hinaus, sodass ganze Korallenriffe als komplexe adaptive Systeme funktionieren. Das Gleiche gilt für Wälder mit ihren erstaunlichen Netzwerken aus Wurzeln und symbiotischen Pilzen. Tatsächlich können Systeme, die Superorganismen ähneln auch innerhalb der Grenzen eines einzelnen Organismus existieren: im Immunsystem, im Mikrobiom – und im menschlichen Gehirn.

Wie genau Entscheidungen getroffen werden, ist nicht vollständig geklärt, doch wie Seeley und seine Kolleg*innen im Journal  Sciene feststellten, gibt es viele Parallelen zwischen der Art und Weise, wie Honigbienenschwärme und komplexe Gehirne zu Beschlüssen kommen. Das wird laut ihnen besonders deutlich in Hinblick auf bestimmte „psychosoziale“ Gesetzmäßigkeiten, denen das menschliche Gehirn bei der Entscheidungsfindung gehorcht und die den oben beschriebenen Mechanismen im Bienenvolk in bemerkenswerter Weise zu ähneln scheinen. Das Hick-Hyman-Gesetz besagt zum Beispiel, dass es umso schwieriger wird, Entscheidungen zu treffen, je mehr Optionen vorhanden sind. Das Webersche Gesetz hingegen verdeutlicht, dass mit zunehmender Qualität der Optionen auch der Unterschied zwischen ihnen größer werden muss, um eine Entscheidung zu erleichtern. Das Piéronsche Gesetz wiederum besagt, dass eine Entscheidung zwischen qualitativ hochwertigen Optionen schneller getroffen wird als eine Entscheidung, die eine minderwertige Auswahl betrifft. Eine 2018 in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlichte  Studie von Forscher*innen der Universität Sheffield hat gezeigt, dass auch Honigbienenschwärme genau diesen Gesetzen folgen, wenn sie einen neuen Standort für ihren Bienenstock auswählen.

Wie bei den Honigbienen werden auch im menschlichen Gehirn komplexe Entscheidungsfindungen nicht von einem einzelnen Neuron allein durchgeführt. Es gibt auch keine Hierarchie, sondern einen Gruppenprozess. Um diese Ähnlichkeiten zu verdeutlichen, schlägt Seeley weiter vor, einzelne Neuronen und einzelne Honigbienen als „erregbare Einheiten“ zu betrachten. Beide interagieren auf lokaler Ebene: Neuronen erregen benachbarte Neuronen, indem sie bestimmte Neurotransmitter freisetzen. Honigbienen-Kundschafterinnen erregen benachbarte Kundschafterinnen mit einem Schwänzeltanz. Bei einer Entscheidung, die mehrere Optionen beinhaltet, bildet sich laut Seeley und seinen Kolleg*innen eine Population erregbarer Einheiten zugunsten jeder Alternative. Manchmal ist eine Population viel größer als die anderen oder hat eine stärkere Aktivität, aber gelegentlich können konkurrierende Populationen erregter Neuronen sehr ähnlich sein und die favorisierte Wahl ist nicht eindeutig.

Genauso wie Kundschafterinnen ein Stoppsignal an ihre Mittänzerinnen, die für andere Standpunkte tanzen, senden können, tauschen Netzwerke von Neuronen, die ein Ergebnis bevorzugen, in solchen Fällen hemmende Signale mit einer Gruppe von Neuronen aus, die eine Alternative bevorzugen. Die chemischen Botschaften unterdrücken die anderen Neuronen und dämpfen deren Signal. Es ist also nicht nur ansteckende Zustimmung im Spiel – es werden auch Meinungsverschiedenheiten ausgetragen. Dies ist eine evolutionäre Strategie, die unter anderem dazu dient, Blockadesituationen zu verhindern. So wie Honigbienen spüren, wenn ein Quorum erreicht ist, fällt in einem komplexen Gehirn dann eine Entscheidung, wenn die Aktivität in einem Netzwerk von Neuronen eine bestimmte Schwelle überschreitet. Es ist schwer zu sagen, welche Schlussfolgerung die überzeugendere ist: dass sich das menschliche Gehirn in bestimmten Momenten wie ein Schwarm verhält – oder umgekehrt.

Das Funktionieren am Rande des Chaos könnte ein entscheidendes Merkmal komplexer adaptiver Systeme sein.
Fiona McMillan-Webster

Wenn man Bienen und Gehirne auf diese Weise vergleicht, kann man sehen, wie aus unzähligen kleinen Interaktionen funktionale Komplexität entsteht. Mathematisch gesehen gibt es jedoch keine Garantie dafür, dass zahlreiche lokale Interaktionen zwangsläufig zu etwas Funktionellem führen. Die Schwarmintelligenz-Forscherin Martina Szopek und ihre Kolleg*innen haben erst kürzlich im Journal Frontiers in Physics (2021) dargelegt, dass diese Prozesse sehr leicht zu Chaos führen können. Im Bienenschwarm passiert genau das jedoch nicht. Die Rückkopplungsschleifen zwischen den Individuen – inklusive der Stoppsignale – scheinen eine wichtige Rolle dabei zu spielen, dass der Schwarm „an der Schwelle zwischen Chaos und Ordnung“ bleibt.

 Bestimmten Theorien aus dem Bereich der Neurowissenschaften zufolge – wie der Hypothese des kritischen Gehirns – funktioniert das menschliche Gehirn ebenso am Rande des Chaos. Mehr noch: Diese Funktionsweise ist sogar notwendig, um die optimale Leistung zu erzielen. Unumstritten ist diese Sichtweise nicht, doch es häufen sich Beweise, dass die Theorie ihre Richtigkeit hat.

Das Funktionieren am Rande des Chaos könnte ein entscheidendes Merkmal komplexer adaptiver Systeme sein – und das aus gutem Grund. Wie der Wissenschaftsautor und ehemalige Physiker Mitchell Waldrop in Complexity: The Emerging Science at the Edge of Order and Chaos (1992) schreibt, liegt die Grenze zwischen Ordnung und Chaos dort, „wo die Komponenten eines Systems nie ganz an ihrem Platz verharren, sich aber auch nie in Turbulenzen auflösen.“ Der Grenzbereich zwischen Ordnung und Chaos scheint also eine Art habitable Zone zu sein, in der ein System weder so ungeordnet ist, dass es nicht mehr funktioniert, noch so stabil, dass es sich nicht mehr verändern kann. Und das bringt uns zu dem Grund, aus dem Bienen, Ameisen, Stare und unsere Gehirne – getrennt durch Millionen von Jahren der Evolution – in diesem Grenzbereich des Beinahe-Chaos zusammenkommen: Er erlaubt uns, uns zu verändern.

Die Fähigkeit, sich zu wandeln, war schon immer überlebenswichtig, doch Veränderung ist von Natur aus chaotisch. Der Übergang von dem, was war, zu dem, was sein wird, erfordert immer ein Mindestmaß an Auflösung. Ein komplexes System am Rande des Chaos befindet sich in einem Zustand, in dem es fast auseinanderfällt. Und genau dort, in der Lockerung – aber nicht im völligen Verlust – der Ordnung, kann etwas Neues Gestalt annehmen. Sei es in der vorübergehenden Formation eines Starenschwarms oder im Entstehungsprozess eines Quorumbeschlusses. Manche behaupten sogar, dass dieses „Dazwischen“ genau der Ort sei, an dem Kreativität entsteht und der einen Weg zu mehr Resilienz weist.

Wir leben in einer Welt voller Superorganismen und komplexer adaptiver Systeme, von kreiselnden Fischschwärmen bis hin zu Finanzmärkten; von den kleinsten Nahrungsnetzwerken bis hin zum Klimasystem unseres Planeten; von den Feinheiten einer einzelnen Entscheidung bis hin zu den weitläufigsten Kinship-Beziehungen. Dennoch ist noch immer größtenteils unbekannt, wie Superorganismen genau funktionieren oder was sie zum Zusammenbruch bringt. Es sieht so aus, als könnten wir von Honigbienen noch viel über uns selbst und über andere lernen – auch wie wir am Rande des Chaos existieren können, ohne hineinzustürzen.

Fiona McMillan-Webster ist eine australische Wissenschaftsjournalistin mit einem Bachelor of Science in Physik und einem Doktortitel in Biophysik. Ihre Artikel erschienen unter anderen bei National Geographic, Forbes, COSMOS magazine, Australian Geographic und sind auch in den Anthologien Best Australian Science Writing (2015, 2016, 2018 und 2021) erschienen. In 2022 wird ihre Publikation The Age of Seeds: How Plants Hacked Time and Why Our Future Depends on It bei Thames and Hudson Australia veröffentlicht.