Bee Emergenzanalyse

Emergenzanalyse - Die Suche nach Unbekanntem
German

I Honigbienen - ein emergentes System

Emergenz und Bienen- in vier Schritten kurz erklärt

Autonom lebende Honigbienen hatten vor ihrem Aussterben eine Schlüsselstellung im Ökosystem. Ihre Wiederansiedelung hätte einen milliardenschweren ökonomische Nutzen und einen unschätzbaren ökologischen Wert. Emergenzbetrachtungen bieten einen systematischen Weg, autonome Honigbienen in einem überschaubaren Zeitrahmen wieder anzusiedeln.

I Wieso Emergenz?

Bienen agieren artspezifisch reproduzierbar, sammeln Nahrung, betreiben Nestbau und vermehren sich. Wendet man sich jedoch Details zu, geht die Prognostizierbarkeit schnell verloren. Jede Biene hat die, ihr in die Wiege gelegten Eigenschaften, kann aber machen was sie will, lernt etwas in ihrem Leben und man kommt schnell zu der Erkenntnis, dass allein der Informationsaustausch zwischen den Tieren das Bienenvolk "schafft". Bei solch hoch komplexen Gesellschaften wird gerne auf die Arbeiten von V. Forester zu "nicht trivialen Maschinen" verwiesen, die zeigen, dass die Anzahl der Möglichkeiten schnell astronomische Werte übersteigt, Werte, wo auch kybernetische Ansätze ihre Grenzen finden und die Kausalität unscharf wird. Hier kommt der Begriff Emergenz ins Spiel - was damit gemeint ist sei kurz erläutert.

II Zur Einordnung:

Die klassischen Naturwissenschaften beschreiben das Allerkleinste wie das Allergrößte mit einer Ehrfurcht einflößenden Präzision. Ob Computer, Astronomie oder Verkehr viele moderne Segnungen unseres Alltags sind in Technik gegossene Naturwissenschaft. Und doch hat der über alle Maßen erfolgreiche reduktionistische Ansatz bei der Beschreibung emergenter Phänomene seinen Meister gefunden. Bei Strukturbildung, Selbstorganisation oder Instabilitäten sind es in der Regel sehr komplexe Phänomene, die sich dem reduktionistischen Ansatz entziehen. Als emergent bezeichnen wir Prozesse, bei dehnen etwas Neues entsteht, das nicht auf das ursprüngliche System und dessen Elemente zurückgeführt werden kann, sich somit dem reduktionistischen Ansatz entzieht. Emergenz ist also ein Konzept ganzheitlichen Denkens, das über den kausalen Determinismus hinausgeht, ohne die naturwissenschaftliche Beschreibbarkeit zu negieren. Und genau diesen Ansatz brauchen wir, um Bienen verstehen zu lernen. Emergenz heißt übrigens wörtlich so viel wie "das etwas spontan auftaucht" eine, wie ich finde treffende Wortwahl. Einen optischen Eindruck, worum es bei Emergenz geht, kann man sich zum Beispiel beim Betrachten der von Christopher Langton entwickelten Turing -Maschine (Stichwort "Ameisenstraße Langton" in YouTube) machen. Hier münden viele scheinbar chaotische Bewegungen plötzlich in einem geordneten Prozess.

III Hat Emergenz Konsequenzen?

Die Konsequenz von Emergenz ist jedoch fatal. Waren Reproduzierbarkeit und Prognosepotential der heilige Gral des Determinismus, so ist das nicht Prognostizierbare, das Spontane die Königsdisziplin emergenter Systeme und damit verbunden ist der schmerzliche Verlust von Reproduzierbarkeit und Prognosepotential. Geht die Möglichkeit Aussagen in einem Experiment zeit- und ortsunabhängig zu überprüfen verloren, stellt das gewaltige Ansprüche an Beobachtung und Dokumentation, da man ständig damit rechnen muss, das Beobachtete eben nicht wie gewohnt reproduzieren zu können. Dennoch gibt es mit der Entropie eine aus der Thermodynamik entliehene Sichtweise, die auf einer abstrakten Ebene hilft, Struktur in das Wirrwarr, in das Unvorhersehbaren zu bringen. Grund genug sich das Entropiekonzept hier näher anzuschauen, da es verspricht, Emergenz doch irgendwie greifbar zu machen.

IV Emergenz und Entropie:

Der Grundgedanke ist simpel. Entropie (Abgekürzt mit "S") ist ein Maß für die "Ordnung" und die qualifizierte "Ordnung", sollte sich auch bei einem emergenten Prozess ändern. Mit anderen Worten:" Hat sich die qualifizierte Ordnung unseres Systems geändert - dann ist (auch wenn wir gerade mal nicht hingeschaut haben) irgendwas passiert" und das was passiert ist, kann emergent sein oder auch nicht. Wiederholen wir unser Experiment exakt und sehen Abweichungen zum vorherigen Experiment, kommen wir emergenten Phänomenen auf die Spur, denn alles Reproduzierbare sollte sich ja reproduzieren lassen. Diese etwas abstrakte Sichtweise ist auch insofern ganz nett, da sie uns davor bewahrt Phänomenen, die wir nur nicht verstanden haben, vorschnell den Stempel "Emergent" aufzudrücken. Nun da das Entropiekonzept offensichtlich Erfolg verspricht, wenden wir es mal auf unsere Bienen an und schauen danach noch mal detaillierter hin und schreiben ein paar Formeln für unsere Bienen auf.

II Emergenzanalyse - Der systematische Weg zur Nadel im Heuhaufen
Emergenzanalyse ebnet den Weg für erfolgreiche Wissenschaft indem sie in der Lage ist unbekannte komplexe Phänomene systematisch zu finden.

  Zum Einstieg:

Fassen wir kurz mal zusammen. Entropie und Information sind Schwesterbegriffe. Entropie kann als Maß für Ordnung (oder besser als Maß für Information) aufgefasst werden. Unter Beachtung der Grenzen von Reproduzierbarkeit kann Entropieabnahme ein Hinweis auf einen emergenten Prozess sein und damit auf Informationsgenese. Mit anderen Worten:" Entsteht eine neue Fähigkeit, sollte das mit lokaler Entropieabnahme verbunden sein". Damit ist alles klar und wem das zu schnell ging, der findet im Anhang einen deutlich sanfteren Einstieg.

Ein Beispiel aus der Welt der Vögel: Stellen sie sich vor sie beobachten Stare und ihre Stare machen immer etwas, brüten, füttern, zanken aber egal wie sie ihre Daten auswerten nichts passiert, ihre Stare sind Einzeltiere, jeder Tag ist im Mittel irgendwie ähnlich. Doch auf einmal bilden ihre Stare einen Vogelschwarm. Dass bei der Bildung des Vogelschwarms Ordnung (oder Information) entstanden ist, erkennen sie sofort. Genauso klar ist auch das die entstandene Ordnung wieder "verschwindet" wenn sich der Vogelschwarm auflöst. Und obwohl die Erfahrung zeigt das sich aus Einzeltieren Schwärme bilden können haben sie keine Chance vorherzusagen ob oder wann sich ein Schwarm bildet, wieder auflöst, oder wie sich ein Schwarm im Flug verhält. Sie können lediglich Bedingungen unter denen sich ein Schwarm bilden kann schaffen, hoffen dass sich ein Schwarm bildet, ihn beobachten und versuchen Prinzipien zu erkennen bevor sich der Schwarm wieder auflöst. Diese Unvorhersagbarkeit ist eine missliche Sache, aber genau damit gilt es umzugehen.

  Emergenzanalyse - wir messen Ordnung:

Wir messen also die Veränderung von Ordnung, achten auf die Abnahme von Entropie und entdecken und beschreiben so unser emergentes Phänomen. Und ja das funktioniert wie man sich am Beispiel der Schwarmbildung leicht klar machen kann. Obwohl Bakterienkolonien oder Pflanzen auch Information austauschen (ja Pflanzen "reden" miteinander auch, wenn es erst mal nicht so scheint) und angenehme Untersuchungsobjekte sind, interessieren wir uns mehr für die Fauna, genauer für Bienen. Ein Beispiel aus dem Bereich Fauna, das an dieser Stelle gerne zitiert wird ist das Schwarmverhalten z.B. von Zugvögeln wie die oben erwähnten Stare. Beim Schwarm der Stare kommunizieren nur die nächsten Nachbarn (Informationsaustausch und Rückkopplung), was in seiner Gesamtheit den Vogelschwarm ausmacht (zu italienischen Staren gibt es übrigens lesenswerte Arbeiten). Von den Untersuchungen zum Verhalten der Stare können wir für unsere Bienen sicher viel lernen. Da Bienen in ihrer Gesamtheit den "Organismus Bienenvolk" bilden, wir Bienen auf der Wabe kontinuierlich beobachten können und wir auch Experimente mit Bienen durchführen können, sind Bienen viel bessere Untersuchungsobjekte als Stare. Wir stellen also eine Kamera in den Bienenstock, extrahieren aus den Videobildern die Information (Mustererkennung), berechnen daraus die mittlere Entropie und wenn wir eine signifikante Veränderung der Entropie beobachten, wissen wir, dass das Bienenvolk irgendetwas "gelernt" hat. Wir können es aber auch umdrehen. Wir beobachten eine Weile und dann setzten wir einen Reiz (z.B. könnten wir das Bienenvolk mit einer größeren Anzahl von Varroamilben konfrontieren) und beobachten weiter. Wenn das Bienenvolk darauf reagiert, erwarten wir eine Veränderung der Verhaltensmuster, also eine Veränderung der aus den Videobildern extrahierbaren Entropie. Die Beobachtung auf der Entropieebene funktioniert ohne, dass wir Details irgend eines Abwehrverhaltens kennen müssen. Alle Detailfragen können wir abtrennen und später bei Bedarf klären. Das verspricht deutlich mehr Fortschritt als die klassischen Ansätze!

Das ist schon mal Super aber es wird noch viel besser, denn ist Information in einem emergenten Prozess erst mal entstanden greifen wieder unsere alt bewährten deterministischen Ansätze extrem erfolgreicher naturwissenschaftlicher Praxis. Ist die Nadel im Heuhaufen der Emergenz erst mal gefunden können wir uns die Schweißperlen von der Stirn wischen. Haben wir doch unser so extrem erfolgreiches deterministisches Konzept mit seinem Prognosepotential erfolgreich wieder eingefangen. Und der Rest auf dem Weg zum Ziel ist einfach nur klassische wissenschaftliche Arbeit. Und das Allerbeste ist, dass das Gesagte für viele nicht emergente Prozesse auch funktioniert.

  So einfach funktioniert Emergenzanalyse:

Und jetzt noch mal zurück zu den Schwärmen - unserem übersichtlichen Beispiel. Wie mächtig die Methode ist zeigt, dass wir allein durch Messen von "Ordnung" das Phänomen Schwarm sicher systematisch finden konnten. Ja wir mussten im Vorfeld nicht mal wissen das es das Phänomen Schwärme überhaupt gibt und es war auch einerlei ob der Schwarm von Tieren, Maschinen oder was auch immer gebildet wird. Das ist schon beeindruckend finde ich.
Haben wir ein Phänomen erst einmal entdeckt können wir es klassisch wissenschaftlich untersuchen. In unserem Beispiel ist es das Schwarmverhalten und was wir finden würden sind die drei grundlegende Regeln von Schwärmen: "1.)Bleibt zusammen, 2.)Bewegt euch in eine ähnliche Richtung und 3.) Haltet einen geeigneten Abstand zum Nachbarn" . Mit der gewonnenen Erkenntnis kann man sich dann ein Modell basteln, das Modell testen, Prognosen zum Verhalten von Schwärmen machen, diese wieder testen usw. und dabei im Verständnis immer besser werden. Und mit diesem Wissen gehen wir dann den Schritt in die Praxis.

  Bienen - Schwarm oder kollektive Intelligenz:

Schwärme sind wie Bienenvölker komplexe Gemeinschaften - daher wurde das Beispiel "Schwärme" ganz bewusst gewählt denn die "Intelligenz" von Schwärmen liegt, wie die "Intelligenz" unserer Honigbienen, in ihrer Inhomogenität. Man kommt also von den simplen Schwarmregeln zu einer kollektiven Intelligenz. Wie sich eine inhomogene Gruppe bildet, wie daraus Reaktionen auf äußere Einflüsse entstehen und wie sich daraus wieder kollektive Strukturen bilden ist praktisch unverstanden. Einfache wissenschaftliche Modell und Arbeiten an z.B. Blattscheiderameisen zeigen aber, dass weniger als ein Prozent spezialisierte Individuen ausreichen um ein Probleme wie die Varroa Infektion der Bienen zum Vorteil der Gemeinschaft zu lösen. Der Schlüssel zur lebensfähigen Honigbienen liegt somit im Verständnis der komplexen Gemeinschaft Bienenvolk und Emergenzanalyse ist der erfolgversprechendste Weg neue, unbekannte Zusammenhänge in komplexen Gemeinschaften systematisch zu finden.

  Und zum Schluss noch ein Schritt weiter:

Und jetzt gehen wir noch einen Schritt weiter. Wir schauen einfach mal, ob und wie sich das Gelernte verbreitet, also unter den Bienen weiter gegeben wird. Nimmt ein Bienenvolk die Information mit in die neu gegründete Kolonie? Was passiert, wenn wir die Milben wieder entfernen und dann das Volk erneut mit Milben konfrontieren? Und letztlich helfen diese vielen nützliche Fragen nicht nur das Phänomen Emergenz besser zu verstehen.
Das Entropiekonzept eröffnet also einen neuen, sehr erfolgversprechenden Weg, die Nadel im Heuhaufen ganz systematisch zu finden, ein Weg systematisch Bienen zu selektieren, die in ihrer natürlichen Umwelt wieder autonom leben können. Autonom lebende Honigbienen hatten vor ihrem Aussterben eine Schlüsselstellung im Ökosystem. Ihre Wiederansiedelung hätte einen milliardenschweren ökonomische Nutzen und einen unschätzbaren ökologischen Wert.

BeeTrees - die praktische Umsetzung

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III Emergenz, Entropie & Bienen - ein etwas sanfterer Einstieg

  Zum Einstieg:

Die Entropie, ein Begriff der klassischen Physik,(Symbol S) gehört zu den häufig missverstandenen physikalischen Größen. Wer einige Minuten opfern kann, dem sei zum Einstieg ein YouTube Video empfohlen (Stichwort: 100 Sekunden Physik Entropie). Es sei noch einmal daran erinnert, dass wir Emergenz (Symbol M) hier im Rahmen eines ontologisches Konzepts verstehen wollten und nicht als erkenntnistheoretische Lücke. Emergenz M ist also mit der Änderung der Ordnung und damit der Änderung der Entropie S verbunden. Das schreiben wir einfach mal auf.

Schaut man genauer hin, ist Emergenz mit der Abnahme der Entropie verbunden. Da ein Phänomen das zu einer gewissen Zeit (t) auftritt persistieren und auch wieder verschwinden kann, schreiben wir besser:

M_absolut(t) = S_max - S(t)    und

M_relativ (t₁,t₂) = M_absolut (t₂) - M_absolut (t₁) = S(t₂) - S(t₁)

Um Missverständnisse zu vermeiden sei hier an den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik erinnert. Er besagt, dass die Entropie eines abgeschlossenen Systems nur gleich bleiben oder zunehmen kann. Das heißt, dass in einem abgeschlossenen System die Ordnung, Strukturiertheit und Organisation in der Summe aller Systemteile nur abnehmen kann. Wenn Sie also die Zimmertür schließen, ihr Nachwuchs im verschlossenen Zimmer tatsächlich aufräumt (was schon an sich erstaunlich ist ;-) ) und das Zimmer, wenn sie die Tür öffnen, tatsächlich aufgeräumt ist, hat die Entropie dennoch zugenommen - auch wenn es auf den ersten Blick nicht so scheint (siehe: YouTube: 100 Sekunden Physik Entropie). Denn es gilt:

Der zweite Hauptsatz ist für das Verständnis sehr hilfreich. In der Praxis ist aber Vorsicht geboten, denn fast alle realen Systeme sind nicht isoliert, sondern thermodynamisch offen und über offene Systeme (praktisch alle belebte Materie) sagt der zweite Hauptsatz nichts aus. In offenen Systemen ist ein Stoff- und Energietransport in das System und aus dem System möglich. Das heißt, der so bequeme Gleichgewichtszustand geschlossener Systeme gilt eben nur für geschlossene Systeme und wird in offenen Systemen durch einen stationären Zustand ersetzt. Ein stationärer Zustand ist jedoch immer labil für Änderungen durch äußere Einflüsse, also offen für Entwicklung. Vallah - nach den paar Zeilen sind wir schon da, wo wir hinwollten, denn Entwicklung oder Veränderung ist genau das, was wir bei den Bienen beobachten wollen.

  Leben ist oszilieren um den stationären Zustand:

In offenen Systemen ist also kein Gleichgewicht mehr möglich (sonst wäre das Leben ja auch verdammt langweilig.), wohl aber ein stationärer Zustand. Und im stationären Zustand sind die Bilanzen (Stofftransport, Energietransort usw.) ausgeglichen. Nehmen wir eine Brennstoffzelle als Beispiel. Es fließen energiereiche Verbindungen hinein und elektrischer Strom, energieärmere Verbindungen und Wärme (=Entropie Änderung) verlassen die Zelle. Alles ist schön übersichtlich und stationär. Wir können also bilanzieren.

dM_input = dM_output    und     dE_input = dE_output    usw.

Deutlich spannender ist, was wir über die Entropie aussagen können. Intern muss die Entropie steigen dS_intern > 0 (zweiter Hauptsatz), extern ist die Etropieänderung aber beliebig (dS_extern - beliebig), da es keine thermodynamischen Grenzen oder Restriktionen gibt. (Wer Lust hat, schaue in diesem Zusammenhang mal nach dem Nobellperis von 1977 für Chemie). Damit gilt für unser System :

dS_System = dS_input + dS_intern - dS_output = dS_extern + dS_intern

Hmmm, sieht erst mal langweilig aus... - ist aber super denn jetzt lassen sich drei Fälle unterscheiden. Es kann hartnäckig nichts passieren (das wäre "Schwarmdemenz" ;-)) oder es kann zum einen Ordnung im System aufgebaut werden (das wäre die "Geburt" von Neuem) oder es kann zum andern Ordnung zerfallen (das ist Niedergang und Tod).

dS_extern < , IdS_externI > dS_int     ( dS < 0 , stationärer Zustand nicht erreicht, Ordnung wird aufgebaut)
dS_extern < , IdS_externI = dS_int     ( dS = 0 stationärer Zustand erreicht, nichts passiert )
dS_extern > - dS_int                         ( dS > 0 stationärer Zustand nichts erreicht, Ordnug wird abgebaut )

Das heißt, Neues kann nur fern vom stationären Zustand aufgebaut werden, was aber auch die Gefahr der Degradation mit sich bringt. Im stationären Zustand ist die spontane Entwicklung von Ordnung und Struktur nicht möglich. Tja soweit so gut. Und was kickt unser System aus dem stationären Zustand und ermöglicht Evolution? Die folgenden Punkte treiben typischerweise die Emergenz.

- Nicht materielle Dinge haben einen kausalen Einfluss
- Kausalität verläuft nicht abwärts vom höheren zum niedrigeren
- Reduktionismus kann das Verhalten komplexer Systeme nicht vollständig erfassen
- Spontane Instabilitäten (Schwankungen) bringen Systeme aus dem stationären Zustand und treiben Veränderungen

Das ist zwar wenig und dennoch schon alles, was man braucht, um das Konzept zu verstehen und anzuwenden. Schnell noch ein paar Worte zu "qualifizierter Ordnung" ein Begriff den wir so nebenbei einfach mal benutzt haben. Geometrisch perfekte Ordnung - z.B. ein Kristall - ist für uns hier wenig interessant, da es bei Ununterscheidbarkeit kaum noch etwas gibt, das sich ohne drastische Einflüsse ändern dürfte. Totale Unordnung - z.B. ein Gas - ist hier ebenso uninteressant, da es (auch wenn es unser aller Ursprung ist) verdammt lange dauern dürfte bis sich etwas ändert. Vielversprechend und interessant ist für praktische Analysen eine qualifizierte Ordnung, also irgendetwas dazwischen z.B. Leben. Schauen sie sich einfach um, ihr Gegenüber hat Nase, Mund, Augen usw. alles hoch geordnet und es funktioniert auch prima, nur ist die Ordnung nicht so hoch, dass sie und ihr Gegenüber ununterscheidbar sind. Das wäre ein Fall von "qualifizierter Ordnung", eine Qualität von Ordnung, die viele Freiheitsgrade Richtung höherer und niederer Ordnung hat. Was man damit anfangen kann und wie die Bienen dabei ins Spiel kommen, darüber mach wir uns Gedanken nachdem wir das Gesagte in einer Grafik, die uns den Überblick erleichtern kann, zusammengestellt haben.

Fassen wir zusammen: Ein geschlossenes System ist durch Entropiezuwachs mit der Zeit gekennzeichnet. Ein evolutionäres "lebendes" System ist durch größere Entropieschwankungen und Entropieverlust (und damit durch Informationsgenese) gekennzeichnet. Tja - und jetzt wenden wir das an auf Bienen, aber das konnte man ja schon weiter oben (in Absatz II) lesen.

Vier Links für Interessierte

- Bienen ein beobachtbar emergentes System
- Aktivitäts Analyse
- Subjekt Analyse
- Biotop Monitoring

- Wissenschaftliche Arbeiten zum Thema autonome Bienen
- Hobos / ein Projekt der Uni Würzburg
- Honigbienen sind Waldbewohner   (ein Bildband)

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