Themenschwerpunkt: 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 der 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. Dementsprechend ist Komplexitätsforschung heute weltweit in zahlreichen Instituten angesiedelt.

Als Flaggschiff dieses Gebietes kann das Santa-Fe Institut in New Mexico bezeichnet werden. Es wurde vor 30 Jahren gegründet, als ersichtlich wurde, dass Fortschritte in der Behandlung nicht-linearer Prozesse und in Computermodellierungen nun erstmals eine Abkehr von rein reduktionistischen Betrachtungsweisen hin zu komplexen Systemen ermöglichten. Dem stark zunehmendem Spezialistentum wurde eine Philosophie interdisziplinärer Zusammenarbeit entgegengesetzt: es kooperieren eine kleine Gruppe Vollzeit-angestellter Wissenschafter und eine international zusammengesetzte, große dynamische Gruppe „Externer Fakultätsmitglieder“ aus den verschiedensten Fachgebieten, welche das Institut auf regulärer Basis „besuchen“.

Was ist Biokomplexität?

Biokomplexität ist ein junger interdisziplinärer Forschungszweig, der auf systembiologischen Ansätzen aufbaut und über diese weit hinausgeht. Erste Erwähnungen von „biocomplexity“ finden sich in den Literaturdatenbanken erst knapp vor der Jahrtauendwende; zurzeit gibt es in Google-scholar schon rund 11 000 Eintragungen. Eine zunehmende Zahl an Institutionen widmet sich bereits diesem Forschungszweig, an einer Reihe von Universitäten ist Biokomplexität als Studienrichtung etabliert. Einige Beispiele sind, neben dem Santa-Fe Institut, die University Illinois (Urbana-Champaign, US), das „Center for Biocomplexity“ an der Princeton Universität (NJ, US), die „Biodiversity and Biocomplexity Unit“ am Okinawa Institute of Science and Technology (Japan), die Abteilung „Hydrodynamik, Strukturbildung und Biokomplexität“ am Max-Planck Institut für Dynamik und Selbstorganisation (Göttingen, D), „Biocomplexity“ am Alfred Wegener Institut (Bremerhaven, D), an den Universitäten Münster und Utrecht, usw…..

Was alles unter dem "Dach" Biokomplexität verstanden wird, ist noch nicht klar umrissen. Eine sicherlich 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 hat 2001 - damals war sie Direktor der US National Science Foundation - 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

Komplexität ist die Grundstruktur des Lebens.
Komplexität führt auf allen Organisationsebenen belebter Materie zur Diversität der Spezies: zur Vielzahl der Spezies, zur Variabilität innerhalb der Spezies und zu deren verschiedenen Erscheinungsformen. Die Spezies selbst prägen ihre Umwelt und werden von dieser geprägt.

Kernthemen dieser Disziplin sind daher: Komplexität, Biodiversität und Ökosysteme.

Zu diesen Themen sind bereits 18 Artikel von insgesamt 10 Autoren erschienen, die nun im neuen Schwerpunkt zuammengefasst sind und durch neue Artikel laufend ergänzt werden. Eigentlich müßte hier auch das Thema Evolution mit seiner fundamentalen Rolle in der Entstehung von Diversität vertreten sein. Da Evolution ein zentraler Aspekt unseres Blogs ist, wurde ihr- auf Grund der Fülle einschlägiger Artikel- ein eignener Schwerpunkt gewidmet: http://scienceblog.at/evolution

Komplexität

  • Peter Schuster; 03.11.2011: Gibt es Rezepte für die Bewältigung von Komplexität?
  • Peter Schuster; 13.09.2012: Zentralismus und Komplexität
  • Biodiversität

  • 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

  • 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

  • [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



    Kommentare

    Ein recht zukunftsträchtiges Gebiet!

    Da erscheint es recht erfreulich, dass Komplexitätsforschung nun auch in Wien etabliert werden soll. Zumindest ist eine derartige Absicht vor kurzem durch die Medien gegangen - man kann nur hoffen, dass dies nicht ein Opfer des Sparstrumpfs wird.

    Natürlich ist es erfreulich,

    wenn das Interesse für Komplexitätforschung zunimmt. Allerdings ist das Gebiet in Wien nicht neu, Grundlagen wurden hier bereits in den 1970er Jahren gelegt. Der ScienceBlog zählt zwei in diesem Gebiet international renommierte Forscher zu seinen Autoren:

    Von Peter Schuster stammen wesentliche Beiträge u.a. zur nicht-linearen Dynamik, zur Theorie der Evolution komplexer Systeme, zu Selbstorganisation, Hyperzyklus und Quasispecies-Modell und zu regulatorischen Netzwerken. Seit 1991 "Externes Fakultätsmitglied" am Santa-Fe Institute ist er auch Editor der Zeitschrift "Complexity". Aus dem Institut für Theoretische Chemie, das er von 1973 bis 2009 leitete, sind zahlreiche Forscher hervorgegangen, die nun die Wiener Tradition an Spitzenuniversitäten und -Instituten (u.a. Harvard, Yale, Mt Sinai, ETH, Max-Planck Inst.) fortsetzen. Zwei von ihnen gehören auch der Externe Faculty des Santa-Fe Instituts an.

    Karl Sigmund, Leiter des Instituts für Mathematik von 1974 bis 2013, hat mit der Beschreibung dynamischer Systeme begonnen und sich dann biomathematischen Themen zugewandt: Populationsdynamik, Populationsökologie, Populationsgenetik, Evolution, Kooperation in biologischen und menschlichen Populationen mittels evolutionärer Spieltheorie. Auch aus seinem Institut gingen renommierte Forscher hervor (der hierzulande bekannteste: Martin Nowak).

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