Biokomplexität

Icon Biologie„Über Generationen hin haben Wissenschafter Teile unserer Umwelt separiert untersucht – einzelne Spezies und einzelne Habitate. Es ist an der Zeit, zu verstehen, wie diese Einzelteile als Ganzes zusammenwirken. Biokomplexität ist ein multidisziplinärer Ansatz um die Welt, in der wir leben, zu verstehen“ (Rita Colwell, 1999 [1]).

Der Begriff Komplexität ist ein Modewort geworden und aus dem Alltagsleben nicht mehr wegzudenken. Was früher als kompliziertes, aber mit entsprechendem Einsatz als durchaus lösbares Problem angesehen wurde (also beispielsweise ein Uhrwerk zu reparieren), erhält nun häufig das Attribut „komplex“.

Was ist Komplexität?

Tatsächlich ist Komplexität etwas anderes. Komplexe Prozesse sind dadurch gekennzeichnet, dass sie nicht durchschaubar sind, ihre Ergebnisse durch sehr viele Faktoren beeinflussbar und nicht vorhersagbar sind. Auch, wenn man die Ausgangsbedingungen eines komplexen Systems – also seine Einzelelemente und die Wechselwirkungen zwischen diesen - genau analysiert hat, führt deren Zusammenspiel zu Phänomenen, die nicht aus der Summe der einzelnen Eigenschaften/Wechselwirkungen hergeleitet werden können, zur sogenannten Emergenz. Dies lässt sich damit erklären, dass bei den Wechselwirkungen mehrerer Elemente miteinander (Mehrkörperproblem) Rückkopplungen entstehen, dass über die Zeit hin die Wechselwirkungen sich ändern können. Es besteht also keine lineare Beziehung zwischen Ursache und Wirkung. Diese nichtlineare Dynamik kann zu einem chaotischen System führen, aber auch ermöglichen, dass Systemelemente zu makroskopischen Strukturen zusammentreten (Selbstorganisation). Beispiele aus der unbelebten Natur sind u.a. durch den Wind verursachte Musterbildungen auf Sandoberflächen, Entstehung von Gewittern, Tornados, etc.

Die Komplexitätsforschung nahm ihren Ausgang von Systemtheorie und Mathematik in den 1960er Jahren und entwickelt sich seitdem zu einer Leitwissenschaft, die gleichermaßen in den (angewandten) Naturwissenschaften, sozialen, wirtschaftlichen und politischen Bereichen hilft komplexe Systeme mit entsprechenden Computermodellen zu untersuchen, zu verstehen und Prognosen zu erstellen.

Was ist Biokomplexität?

Biokomplexität ist ein junger interdisziplinärer Forschungszweig. Erste Erwähnungen von „biocomplexity“ finden sich in den Literaturdatenbanken erst knapp vor der Jahrtauendwende; zurzeit gibt es in Google-scholar bereits rund 11 000 Eintragungen.
Eine sicherlich noch nicht umfassende Beschreibung dieser Disziplin könnte lauten: Biokomplexität verknüpft Biodiversität mit ökologischer Funktion:

  • untersucht auf vielfachen biologischen Organisationsebenen, räumlichen und zeitlichen Skalen die komplexen biologischen, sozialen, chemischen, physikalischen Wechselwirkungen von Lebewesen mit ihrer Umwelt,
  • strebt an den Menschen als Teil der Natur zu verstehen, eng gebunden an sein Habitat an Land und Wasser und an die Gemeinschaften der Lebewesen,
  • untersucht wie die Umwelt den Menschen formt, ebenso wie die Auswirkungen der Aktivitäten des Menschen auf seine Umwelt.

Rita Colwell, damals Direktor der US National Science Foundation hat 2001 in einer Rede ein praktisches Beispiel von Biokomplexität gegeben:

„Warum sind Eicheln anscheinend mit einem Ausbruch der Lyme-Krankheit (durch Zecken übertragene Borreliose) assoziiert?

Dies ist tatsächlich der Fall: Wenn Eichen übermäßig Eicheln produzieren, dann kommen in dieses Gebiet mehr Hirsche, die sich von den Eicheln ernähren. Mehr Hirsche bedeuten mehr Zecken auf den Hirschen. Mehr Zecken lassen sich in eine höhere Wahrscheinlichkeit für Lyme-Krankheit übersetzen. Wissenschafter sind der Überzeugung, dass sie aus der Menge der in einem bestimmten Jahr produzierten Eicheln den Ausbruch der Lyme-Krankheit zwei Jahre später vorhersagen können.“ [2; aus dem Englischen übersetzt]

Biokomplexität im ScienceBlog

Kernthemen dieser Disziplin sind: Komplexität, Biodiversität und Ökosysteme. Dazu sind bereits 23 Artikel von insgesamt 10 Autoren erschienen:

Komplexität
  • Peter Schuster; 11.09.2015: Modelle – von der Exploration zur Vorhersage
  • Peter Schuster; 03.11.2011: Gibt es Rezepte für die Bewältigung von Komplexität?
  • Peter Schuster; 13.09.2012: Zentralismus und Komplexität
  • Ortwin Renn; 30.01.2015: Reaktionen auf globale Bedrohungen: Ignorieren – Verdrängen – Dramatisieren
  • Biodiversität
  • Christian Hallmann; 20.11.2015: Von Bakterien zum Menschen: Die Rekonstruktion der frühen Evolution mit fossilen Biomarkern
  • Frank Stollmeier; 05.06.2015: Artenvielfalt und Artensterben
  • Christian Sturmbauer; 17.10.2014: Artentstehung – Artensterben. Die kurz- und langfristige Perspektive der Evolution
  • Gottfried Schatz; 14.02.2014: Schöpfer Zufall — Wie chemische Zufallsprozesse dem Leben Vielfalt schenken
  • Inge Schuster; 24.01.2014: Cytochrom P450-Enzyme: Tausendsassas in allen Bereichen unserer Biosphäre
  • Gottfried Schatz; 22.09.2011: Der kleine warme Tümpel — Was urtümliche Einzeller von der Frühzeit des Lebens berichten
  • Peter Schuster; 24.05.2013: Letale Mutagenese — Strategie im Kampf gegen Viren
  • Gottfried Schatz; 31.05.2013: Planet der Mikroben — Warum wir Infektionskrankheiten nie endgültig besiegen werden
  • Tobias Deschner; 15.08.2014: Konkurrenz, Kooperation und Hormone bei Schimpansen und Bonobos
  • Ökosysteme
  • Rattan Lal; 11.12.2015: Der Boden – die Lösung globaler Probleme liegt unter unseren Füßen
  • Rattan Lal; 4.12.2015: Der Boden – Grundlage unseres Lebens
  • Rattan Lal; 27.11.2015: Boden - Der große Kohlenstoffspeicher
  • Redaktion; 26.06.2015: Die Erde ist ein großes chemisches Laboratorium – wie Gustav Tschermak vor 150 Jahren den Kohlenstoffkreislauf beschrieb
  • Matthias Jungwirth & Severin Hohensinner; 11.12.2014: Hochwässer – eine ökologische Notwendigkeit
  • Hans-Rudolf Bork; 21.11.1014: Die Böden der Erde: Diversität und Wandel seit dem Neolithikum
  • Mathias Jungwirth & Severin Hohensinner; 31.10.2014: Leben im Fluss nach (Extrem-) Hochwässern. Teil 1: intakte und gestörte Flusslandschaften
  • Reinhard F. Hüttl; 01.08.2014: Vom System Erde zum System Erde-Mensch
  • Peter Schuster; 30.11.2013: Recycling & Wachstum — Vom Ursprung des Lebens bis zur modernen Gesellschaft
  • Gerhard Glatzel; 28.06.2011: Hat die Menschheit bereits den Boden unter den Füßen verloren?
  • Gerhard Glatzel;24.01.2013: Umweltökologie und Politik - Der Frust der nicht gehörten Wissenschaftler
  • Gerhard Glatzel; 21.03.2013: Rückkehr zur Energie aus dem Wald – mehr als ein Holzweg? Teil 1 - Energiewende und Klimaschutz
  • Gerhard Glatzel; 05.04.2013: Rückkehr zur Energie aus dem Wald – mehr als ein Holzweg? Teil 2 - Energiesicherheit
  • Gerhard Glatzel; 18.04.2013: Rückkehr zur Energie aus dem Wald – mehr als ein Holzweg? Teil 3 – Zurück zur Energie aus Biomasse
  • Julia Pongratz & Christian Reick; 18.07.2014: Landwirtschaft pflügt das Klima um
  • Gerhard Markart; 16.08.2013: Hydrologie: Über die Mathematik des Wassers im Boden
  • Gerhard Herndl; 21.02.2014: Das mikrobielle Leben in der Tiefsee
  • Knut Ehlers; 01.04.2016: Der Boden – ein unsichtbares Ökosystem

  • [1] Rita Colwell (1999) zitiert in J. Mervis, Biocomplexity Blooms in NSF’s Research Garden. Science 286:2068-9

    [2] Rita Colwell (2001), Future Directions in Biocomplexity. Complexity 6,4:21-22



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