Complexity without leadership: The queen no longer rules

Humans used to hierarchical organisation in their machines and societal systems find it hard to appreciate that simple minded organisms like bees and ants exhibit complex behaviour without central control. Examples can be seen in the coordinated pathfinding video above and in the enormous nests that these insect colonies build and run. These powerful behaviors arise from the controlled interaction of a huge number of comparatively simple elements (individual ants) and increasingly inspire also human activities, as we shall explore in our next article.

tunneling ants by jurvetson

tunneling ants by jurvetson

Immer mehr Führungskräfte klagen über zu hohe Komplexität. Vielleicht steckt hinter diesen Sorgen aber ein veraltetes Steuerungsmodell, das überholten, zentralistischen Kontrollphantasien verhaftet ist. Führungskräfte und Organisationen können von komplexen Gebilden aus Flora und Fauna lernen, wie zum Beispiel von einem Ameisenstaat.

Dieser Schritt erfordert aber ein komplettes Umdenken, da die meisten vom Menschen entwickelten Systeme, von Maschinen bis hin zu Firmen und Regierungen, hierarchisch aufgebaut sind. Wegen dieser eingespurten Denkstruktur fällt es uns schwer Systeme zu verstehen, die ohne zentrale Führung auskommen. Insektenkolonien, zum Beispiel, weisen komplexe Verhaltensmuster auf, ganz ohne Führung. Trotzdem erfanden wir Menschen Begriffe wie Bienenkönigin. Das entsprechende Insekt macht aber nichts anderes, als im stillen Kämmerlein Nachkommen zu produzieren. Wir suchen Führung dort, wo es keine Führung im herkömmlichen Sinne zu geben scheint.

Wie sind Ameisen ohne leitende Architekten in der Lage einen Bau anzulegen, der im Vergleich zur Körperhöhe einer Etagenwohnung oder sogar einem Hochhaus entspricht, und das mit nur 1/4 Millionen Neuronen? Zum Vergleich, Leser und der Autor dieses Artikels besitzen ~85 000 Millionen Neuronen. Diese Frage verwundert Forscher noch heutzutage. Erste Prozesse wurden jedoch bereits entschlüsselt.

Ameisen sind zum Beispiel in der Lage, ihre Umgebung zu kartieren und dynamisch ihre Jobverteilung anzupassen. Das erreichen sie oft mit erstaunlich einfachen Mechanismen, die im Zusammenspiel vieler Individuen zu einem komplexen System werden.

Am Morgen bricht die Patrouille auf und erkundet die Umgebung, mehr oder weniger zufällig. Wenn sie nicht zurückkommt, bleiben auch die Sammler lieber im Bau – ein Warnsignal zum Preis von ein paar Koloniegenossen. Kommen Späher zurück, werden die Sammler aktiv und zwar proportional zur Frequenz der Zurückkehrenden, ganz ohne Mathematik, nur durch Gruppeneffekte. Wege, zu Beginn noch zufällig, etablieren sich von selbst durch Geruchsmarkierungen, die mit der Zeit verdunsten. Dabei entstehen Pfade, die zwar nicht der kürzeste Weg von A nach B sind, aber zum Ziel führen und das mit minimalem neuronalen Aufwand und fast ohne Infrastrukturinvestitionen.

A time lapse video of ants exploring a round container – random walk, initially, and then laying down tracks like highways. Experiments by the Couzin lab.

Auch die Arbeitsaufteilung der Ameisen ist eine Geschichte von Gruppenintelligenz durch Rückkopplungsmechanismen. In einer typischen Kolonie von Tausenden von Ameisen gibt es 1 entmachtete Königin, 50% Faulenzer und 4 Berufssparten: Nestbauer, Müllfahrer, Späher und Sammler. Allerdings bleiben Berufe nicht fürs Leben gleich, sondern werden gemeinschaftlich der Situation angepasst. Wurde z.B. eine reichhaltige Nahrungsmittelquelle entdeckt, so werden durch die vermehrt erfolgreich zurückkehrenden Sammler mittels Antennenkommunikation Arbeiter anderer Gruppen umgepolt und ziehen aus, die reiche Beute zu bergen. Dabei gibt es Regeln welche Berufssparte in welche wechseln kann. Berufsgruppen weisen sich durch die Kohlenwasserstoff-Beschichtung ihrer Antennen aus. Eine zentrale Jobagentur braucht es nicht und das System reagiert trotzdem schneller und passender als menschliche Äquivalente.

Dezentralisierte, komplexe System dieser Art werden bisher nur teilweise verstanden, aber wir erkennen langsam ihre Stärken. Man verwendet heute z.B. künstliche Ameisen, umgesetzt in Computerprogrammen, für die Planung von Lieferrouten. Der nächste Blogartikel bei komplexe Welt wird ein Beispiel dafür geben, dass es sogar inzwischen ähnlich strukturierte Firmen gibt. Für bestehende Firmen könnte dies ein interessantes Modell sein, um sich besser auf dynamisch wandelnde Umfelder einstellen zu können.

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Descent into monoculture

Durch die Aktivität des Menschen verringert sich die Vielfalt und damit die Komplexität in vielen Ökosystemen der Welt. Das verursachte erheblichen Schaden in der Vergangenheit und birgt große Risiken für die Zukunft. Eine vielsträngige Strategie wäre robuster.

fractal fern

photo by Randy Robertson; CC-by

Die Veränderung des Lebens auf der Erde ist wegen ihrer Vielfalt und versteckten Nichen schwer zu messen. Man schätzt, dass auch heute noch 7 von 8 Insektenarten unbekannt sind und es einige davon bleiben werden, weil sie aussterben werden bevor sie gefunden und bestimmt wurden.

Dennoch gibt es verlässliche Indikatoren, an denen sich erkennen lässt, dass die Anzahl der Lebewesen und damit die Komplexität des Ökosystems Erde deutlich abgenommen hat. Der Living Planet Index ist ein solcher Indikator. Er misst die Größe von Hunderten von Wirbeltier-Populationen und hat von 1970 bis 2007 um ~30% abgenommen.

global living planet index

adapted from WWF/ZSL; CC-by

Das Aussterben von Arten sowie die Schrumpfung der Populationsgrößen werden sowohl auf die Verkleinerung und Verschmutzung der Lebensräume als auch auf strategische Fokusierung der Industrie zurückgeführt. Eine freiwillige Einschränkung wird z.B. in der menschlichen Landwirtschaft vorgenommen, wo immer weniger Pflanzen- und Tierarten verwendet werden. Das hat Vorteile in der Automatisierung und kann kurzfristig den Ertrag erhöhen. Allerdings birgt es auch enorme Risiken. So wurde in den 50er Jahren die damalige Monokultur von Gros Michel Bananen fast komplett durch einen Pilz ausgerottet (Panama disease). Bei größerer Artenvielfalt wäre der Schaden deutlich geringer ausgefallen.

Trotz dieser bekannten historischen Desaster wird in der modernen Landwirtschaft zunehmend auf Monokultur gesetzt. Eine vielsträngige Strategie wäre wahrscheinlich anfangs teurer, aber auch deutlich robuster gegenüber unvorhergesehen Ereignissen wie der nächsten Bananenpest.

Summary – The Living Plant Index, which has fallen by 30% in the last 40 years, is evidence that animal species suffer, most likely due to human influence. Extinction of species and reduction of populations leads to reduced ecosystem complexity and has serious implications for humans. Mono-cultures like the Big Mike banana which effectively became extinct in the 50s are more at risk than a parallel cultivation of a mix of species. A one-species strategy may lead to short-term efficiency gains but harbors increased susceptibility to pests and lacks in robustness, which is a central point in complex strategy development.