NaWi 13 – Kollektive Intelligenz

Bild 1: Blattschneiderameisen, Wikimedia (Aug 2014)

Kollektive Intelligenz nennt man das Ergebnis der selbstorganisierten pluralistischen Fähigkeiten der Individuen eines Kollektivs. Die kollektiven Ergebnisse sind aber nur dann besser als die der Individuen, wenn diese unabhängig voneinander mitwirken. Das gilt übrigens auch für uns Menschen. Im Gegensatz dazu ist beim Herdentrieb die Nachahmung des Leittiers stärker ausgeprägt als die Nutzung der kollektiven pluralistischen Fähigkeiten aller Individuen. Das kollektive Verhalten der Herde ist deshalb vor allem abhängig von der Kompetenz des Leittiers.

Ein bekanntes Beispiel für „intelligentes“ kollektives Verhalten ist die Schwarmintelligenz. Schwarmintelligenz bedeutet, dass eine Gemeinschaft eine Aufgabe kollektiv lösen kann, die kein Individuum der Gemeinschaft einzeln lösen könnte. Dieses Verhalten wird möglich, wenn sich die Individuen der Gemeinschaft miteinander „intelligent“ koordinieren, wie z.B. Vogel- oder Fischschwärme bei ihren eindrucksvollen Formationen, um Räuber zu verwirren. Andere Beispiele für kollektive Intelligenz sind Ameisen oder Bienen bei der Futtersuche. In allen diesen Fällen hat sich das Verhalten evolutionär entwickelt und wird von den Genen gesteuert.

Starenschwärme

Äußerst eindrucksvolle Beispiele des selbstorganisierten Verhaltens sind große Schwärme von kleinen Vögeln oder Fischen. Diese Schwärme dienen primär dem Schutz der Individuen, einerseits weil der Schwarm wie ein einziges großes Lebewesen wirkt, andererseits weil das einzelne Individuum im Schwarm von einem Räuber schwer zu identifizieren und zu greifen ist. Es gibt viele schöne Aufnahmen davon, und es ist sehr eindrucksvoll, welch komplizierte und überaus dynamische Formationsflüge beispielsweise ein großer Schwarm Stare an den Himmel zaubern kann. Dabei ist die Zusammenarbeit im Schwarm relativ einfach zu erklären: Das Verhalten von Schwärmen ist ein emergentes Phänomen, das aus relativ einfachen Wechselwirkung von benachbarten Individuen resultiert und im Schwarm zu einer „Fernwirkung“ führt.

Bild 2: School Jacks, Quelle Wikimedia

Ein Beispiel zu den Wechselwirkungen: Bei der Beobachtung und Simulation von Starenschwärmen im Projekt Starflag des Instituto dei Sistemi Complessi (Rom, 2008)hat folgendes Modell die beste Übereinstimmung der Simulationsergebnisse mit den Beobachtungen der Schwärme ergeben:

  • Jeder Star orientiert sich an der gemittelten Richtung seiner sieben nächsten Nachbarn, unabhängig von der Dichte der Vögel im Schwarm
  • Jeder Star achtet auf einen bestimmten Abstand von seinen Nachbarn, nach vorn etwas mehr als seitlich
  • Jeder Star korreliert die Änderungen seiner Fluggeschwindigkeit mit der seiner Nachbarn. Die Reichweite der Korrelation wächst dabei proportional zur Größe des Schwarms.

Die Schwärme wurden bei dem Projekt mit mehreren Videokameras aufgenommen. Aus den synchronisierten Videos wurden die Bewegungen der Stare in drei Dimensionen bestimmt, und daraus die Wechselwirkungen.

Bei der Simulation im Computer entwickelt sich mit dem daraus abgeleiteten Modell spontan aus einer ungeordneten Bewegung der Individuen eine geordnete Bewegung des Schwarms, wenn eine ausreichend großen Anzahl von Staren simuliert wird. Obwohl die Wechselwirkung nur zwischen nächsten Nachbarn wirkt, pflanzen sich Störungen von außen – z.B. eine Änderung der Richtung, wenn sich ein Raubvogel nähert – im gesamten Schwarm fort (sog. emergente Fernwirkung). Mit diesem Link können Sie ein eindrucksvolles Video von Starenschwärmen aktivieren.

Ameisenstraßen

Ein weiteres Beispiel für kollektive Intelligenz bei den Lebewesen ist das dynamische Verhalten einer großen Zahl von Ameisen bei der Suche nach Futter. Es ist geradezu ein Modellsystem für wichtige Eigenschaften und Fähigkeiten von spontan selbstorganisiertem Verhalten. Die einzelne Ameise ist dabei als Element des Systems Ameisenhaufen überwiegend durch ihre Gene gesteuert. Sie hat nur sehr einfache Fähigkeiten und Wechselwirkungen mit anderen Ameisen. Kein Forscher konnte bisher einer einzelnen Ameise irgendetwas beibringen. Das Gehirn von Ameisen ist mit ca. 250000 Nervenzellen in Vergleich mit anderen Insekten sehr groß, aber im Vergleich zu den Wirbeltieren sehr klein (ein Mensch hat ca. 100 Mrd. Nervenzellen) und auf die Verarbeitung von Gerüchen spezialisiert. Aber ein Ameisenhaufen mit Tausenden oder vielen Millionen Ameisen kann eine Organisation mit sehr eindrucksvollen kollektiven Leistungen sein.

Die Blattschneider-Ameisen beispielsweise haben das komplexeste soziale System im Tierreich. Sie legen regelrechte Pilzgärten an, die sie ständig ausbauen und pflegen. Der Pilzanbau erfolgt über eine fein abgestimmte Arbeitsteilung, in der jeder der 29 verschiedenen Prozessschritte von einer speziellen Kaste der Tiere ausgeführt wird.  Eine große Kolonie kann ein Nest von 50 qm Fläche bewohnen, das 8 m tief in den Boden reicht. Sie kann pro Tag so viel Blätter schneiden, wie eine ausgewachsene Kuh Gras frisst.

Aufgrund ihrer kollektiven sozialen Fähigkeiten und der dadurch möglichen Staatenbildung sind Ameisen als Tierfamilie in der Evolution seit etwa 140 Mio. Jahren überaus erfolgreich: Die Biomasse aller Ameisen auf der Erde umfasst heute mehr als die Hälfte der Gesamtbiomasse aller anderen Insekten zusammen, und übersteigt die der Menschen oder die aller anderen Wirbeltiere bei weitem!

Betrachten wir nun die Futtersuche einer Gruppe von Ameisen um einen Ameisenhaufen herum: Die Ameisen laufen dabei zunächst ungeordnet in ihrem Revier hin und her. Wenn eine Ameise Futter gefunden hat, markiert sie ihre Spur mit Pheromonen. Andere Ameisen folgen dieser Spur und verstärken dadurch die Markierung. Je ergiebiger die Futterquelle ist, und je kürzer der Weg dorthin, umso stärker wird die Spur markiert, und umso mehr Ameisen folgen ihr.

An diesem Beispiel können wir folgende Merkmale der emergenten Selbstorganisation beobachten (nur als „Schlagworte“ aufgeführt, die aber oft selbsterklärend sind): Die Suche nach Futter erfolgt „fern vom thermischen Gleichgewicht“, denn die Ameisen laufen unter Verbrauch von viel Energie herum, anstatt mit wenig Energieverbrauch abzuwarten (und vielleicht zu verhungern). Die Suche nach Futter verläuft am Anfang „chaotisch“, denn die Bewegungen der Ameisen sind ungeordnet und es ist nicht vorhersagbar, welche Ameise Futter findet. Das gefundene Futter führt zu „Ordnung und Struktur“, nämlich der Konzentration vieler Ameisen auf den besten Weg zum Futter, eine sog. Ameisenstraße. Damit verbunden ist ein „Phasenübergang“ in der Ameisengruppe von der chaotischen, ungeordneten Bewegung zur geordneten Ameisenstraße. Die chaotische Suche ist „innovativ“, denn die Erfolgswahrscheinlichkeit ist viel größer als beim bewegungslosen Abwarten. Die Bewegungsmuster der Ameisen bei der Suche sind symmetrisch in alle Richtungen, erst durch die Konzentration auf eine Ameisenstraße erfolgt ein „Symmetriebruch“. Den „Keim“ zur Entstehung dieser Ordnung bildet die Ameise, die das Futter gefunden und den erfolgreichen Weg markiert hat. Dabei entsteht ein instabiler „kritische Zustand“, denn es können auch mehrere Ameisen etwa gleichzeitig Futter finden, und es ist dann nicht sofort klar, welche dieser Ameisen den erfolgreichen Weg zum Futter etabliert. Vielleicht entstehen aber auch mehrere Ameisenstraßen.

Es wurde übrigens festgestellt, dass bei der Ameisenart Ooceraea biroi nach der Änderung eines einzigen Gens das beschriebene kooperative Sozialverhalten verloren geht.

Das Verhalten der Ameisen hat im Licht der Emergenz eine gewisse Ähnlichkeit mit der Funktion unseres Gehirns: Auch das Gehirn ist im Ruhezustand nicht in Ruhe, sondern befindet sich in einem chaotischen Muster von Aktivitäten der Nervenzellen fern vom thermischen Gleichgewicht. Das ist ein wichtiger Erfolgsfaktor für seine enorme Reaktions- und Leistungsfähigkeit.

Fußgänger

Ein deutlicher Hinweis auf die emergente Selbstorganisation sind die bei der Kooperation entstehenden dynamischen „Strukturen“ wie Vogelschwärme oder Ameisenstraßen. Auch bei Wanderheuschrecken und Menschen ergeben sich Strukturen, wenn eine bestimmte Dichte von Individuen überschritten wid (bei Heuschrecken ca. 75 Individuen pro Quadratmeter): Die ungeordnete Bewegung der Individuen ändert sich selbstorganisiert zu einer parallelen Bewegung der Individuen in geordneten Strömen.

Bei Fußgängern gibt es dazu hübsche Beispiele, die man beobachten und auch per Simulation nachvollziehen kann:

  1. Wenn in einer langgestreckten Fußgängerzone eine kritische Dichte der Passanten überschritten wird, bilden sich spontan geordnete Ströme in den beiden Hauptbewegungsrichtungen.
  2. Wenn sich zwei dichte Fußgängerströme kreuzen, bilden sich von selbst „Pakete“ von Fußgängern, um die hinderliche Kreuzung bestmöglich zu bewältigen, vgl. Bild 3.

Bild 3: Selbstorganisation von zwei sich kreuzenden Fußgängerströmen (eigene Grafik). Die Pfeile symbolisieren die Fußgänger und ihre Bewegungsrichtung. Der lange senkrechte Pfeil entspricht der Vektorsumme der Bewegungs­richtungen der Fußgänger.

Die sehr einfachen, körpersprachlichen Regeln, die den parallelen Strömen der Fußgänger bei Beispiel 1 zugrunde liegen, sind:

  • Vermeide Zusammenstöße mit anderen Individuen,
  • bewege dich in die mittlere Richtung deiner nächsten Nachbarn,
  • bewege dich auf die mittlere Position der Individuen vor dir zu.

Generell gilt für das kooperative Verhalten im Schwarm, dass alle Individuen einen kollektiven Zusammenhalt verspüren müssen, damit die Wechselwirkungen wirken können. Wäre das nicht so, würde sich der Schwarm zerstreuen. Bei den Staren wird der Zusammenhalt durch den Schutz motiviert, den der Schwarm für die Individuen bietet. Bei Heuschrecken ist der Zusammenhalt ab der o.g. kritischen Dichte mit der Ausschüttung von Serotonin verbunden, bei den Menschen beispielsweise mit ihren persönlichen Einkaufszielen in der langgestreckten Straße. Auch im Fall der kreuzenden Fußgängerströme in Bild 3 wird der Zusammenhalt durch die Bewegungsrichtung der Fußgänger vermittelt. Die selbstorganisierte Bildung der Fußgänger-Pakete ist plausibel, denn dadurch entstehen im Mittel viel weniger „Reibungsverluste“ pro Person, als wenn sich jeder Fußgänger einzeln durch das Gewühl der Kreuzung kämpfen müsste. Erst die Kombination aus dem kollektiven Zusammenhalt und den individuellen Wechselwirkungen, die den Abstand vermitteln, bewirkt eine dauerhafte Rückkopplung zwischen den Individuen und erzeugt die Strukturen eines Schwarms.

„Duales Verhalten“

Die Fähigkeit zum Schwarmverhalten bedeutet übrigens nicht, dass die Individuen ihre Individualität komplett zugunsten des Schwarmverhaltens opfern, denn die Bildung eines Schwarms ist, wie wir gesehen haben, abhängig von der Situation. Stare haben hervorragende Fähigkeiten im Schwarm, sind aber als Brutpaare Besitzer und Verteidiger von „Haus und Hof“. Sie können beides. Menschen können als Individuen vernünftig und umgänglich sein, in einer fanatisierten Masse aber auch ein kollektiv rücksichtsloses oder hysterisches Verhalten zeigen. Vor allem, wenn ihre Emotionen („Instinkte“) von Demagogen oder aus der Situation heraus angesprochen werden.

Interessant sind beim kollektiven Verhalten auch Beobachtungen, dass schon wenige Individuen ausreichen, um einen Schwarm zu lenken: Bei Bienen gibt es eine Art emergente Keimbildung, wenn sie „schwärmen“: Einige wenige Kundschafter können den Tochterschwarm leiten, indem sie schneller in die Richtung des neuen Bienenstocks fliegen als die anderen Bienen des Schwarms. Sie bleiben dabei aber anonym, sind also nicht irgendwie als Kundschafter gekennzeichnet. Bei Starenschwärmen können wenige Individuen Teilschwärme erzeugen. Auch in der menschlichen Gesellschaft ist dieses Verhalten beobachtet worden: Einige wenige Individuen mit gleichartigem Verhalten können eine Gruppe erheblich in ihrem Sinne beeinflussen. Es wurde festgestellt, dass der Anteil dieser „Anführer“ umso kleiner sein kann, je größer die Gruppe ist: Bei einer Gruppe von einigen hundert Menschen reichen bereits 5% „Anführer“.

Näheres zu dem Thema sowie Literaturangaben finden Sie in meinem Buch Gesellschaft ohne Ideologie – eine Utopie?

 

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3 Responses to NaWi 13 – Kollektive Intelligenz

  1. Johann Wolfgang Goethe sagt:

    Auch Termiten besitzen eine hohe kollektive Intelligenz. Der Termitenbau ist ein Baukunstwerk, was auch die Wissenschaft fasziniert. Dieser Bau verfügt sogar über eine Klimaanlage.

    Gruß Wolfgang

  2. Johann Wolfgang Goethe sagt:

    Flora und Fauna zeigen uns Menschen, wie kollektive Intelligenz funktioniert. Der Mensch hat ja schon vieles von Flora und Fauna abgeschaut und in der Technik eingesetzt.

    Gruß Wolfgang

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