Bionik 2.0 – Algorithmen aus Pilzen

Ein Forschungsgebiet der industriellen Ökologie ist die Bionik (vgl Ferdinand, Petschow, Gleich, Seipold, 2012). Dabei dient die Natur als Vorbild für bionische Innovation von nachhaltigen Produkten und Technologien. So versteht der Verband Deutscher Ingenieure (VDI) Bionik folgendermaßen: „Bionik verbindet Biologie und Technik mit dem Ziel durch Abstraktion, Übertragung und Anwendung von Erkenntnissen, die durch interdisziplinäre Zusammenarbeit an biologischen Vorbildern gewonnenen werden, technische Fragestellungen zu lösen (VDI-6220, 2011).“ Mit ganz ähnlichem Fokus ist auch die Forschungsförderung der Bundesregierung angelegt. Dabei geht das Inspired-by-Nature inzwischen weit über die Produktentwicklung hinaus und bezieht sich nicht nur auf die Verbesserung von Dienstleistungen, sondern gleich auf die Entwicklung von ganzen Ökonomien etwa im Feld der evolutionären Ökonomik, oder auch der komplexen Ökonomik.

Hintergrund dafür ist die Forschung zu komplexen, adaptiven Systemen (KAS), die bisher vor allem im angelsächsischen Raum schnell vorangetrieben wurde. Diese Forschung bezieht sich etwa auf die Resilienz von industriellen oder wirtschaftlichen Strukturen. Die methodischen Grundlagen von KAS werden mit Netzwerkforschung und mathematischen Simulationen bereitgestellt, die sowohl auf biologische als auch auf soziale Strukturen analytisch angewandt werden. Letzteres ist ethisch-moralisch nicht immer unproblematisch; es kann aber auch pragmatischer Forschung führen, die durchaus das Potenzial hat bestehende Technologie zu substituieren. Ein Beispiel dafür ist die Erforschung eines sogenannten Schleimpilz mit dem biologischen Namen “Physarum polycephalum”.

Schleimpilz auf Nahrungssuche,  Foto: Richard Orr (Flickr.com)

Schleimpilz auf Nahrungssuche, Foto: Richard Orr (Flickr.com)

Dieser ist ein einzelliger Organismus, der sowohl Pflanzen als auch tierische Merkmale hat. Die meiste Zeit seines Lebens verbringt der Pilz als Plasmodium als ein gigantischer einzelliger Körper. Wenn er auf Nahrungssuch geht, deckt es mit seinem Körper zunächst eine möglichst große Fläche ab, um dann bei einem Nahrungsfund Ranken auszubilden, mit deren Hilfe er die Nahrung im Körper verteilt. So entsteht ein Geflecht oder auch Netzwerk von Ranken. Dabei musste der Schleimpilz zwei konkurrierende Aspekte austarieren. Da ist zunächst einmal das Ziel Nahrung zu finden und diese dann über das Geflecht von Ranken möglichst effizient zu nutzen, d.h. ein möglichst kurzes Netzwerk auszubilden. Dies gilt es mit einem zweiten Ziel auszutarieren, nämlich den Ausfall des Netzwerks zu vermeiden, indem etwa eine Ranke zerstört wird. Kurzum, der Schleimpilz gleicht die Kosten der Futtersuche mit den Problemen effizienten Nahrungstransports und der Fehlertoleranz seines Geflechts aus (Resilienz) und bewältigt so ein Problem, das sich auch beim Design von Infrastrukturnetzwerken stellt.

Mehrere Forscher haben deshalb den Schleimpilz benutzt, um anthropogene Netzwerke zu evaluieren. Die Forschung konzentrierte sich vor allem auf Verkehrsinfrastruktur. So hat ein Team von Forschern um Adam Adamatzky etwa weltweit Verkehrsnetzwerke untersucht. Sie setzen dabei den Schleimpilzen zur Simulation ein, indem sie ihnen Städte verbinden lassen, deren Charakteristika durch entsprechendes Nahrungsangebot nachgebildet werden. Physische Barrieren wie Berge oder Meere werden ebenfalls repräsentiert. (Hier Zeitraffervideos zu den Simulationen: USA, Belgien, GB, Australien oder Malaysia). Die Forscher führen eine Anzahl von Simulationsläufen durch, deren Ergebnisse sie dann mit den realen Netzwerken vergleichen. Ihre Funde sind verblüffend, denn der Schleimpilz reproduziert die anthropogene Infrastruktur überaus exakt. Erstaunlicher noch: wo er dies nicht tut gibt es Anlass, die Effizienz und damit Nachhaltigkeit der bestehenden anthropogenen Infrastruktur zu hinterfragen. So legen die Versuche mit dem Schleimpilzen nahe, dass etwa die Autobahn zwischen England und Schottland (M6) einen effizienteren Streckenverlauf hätte, wenn sie über Newcastle führen würde.

Besonders interessant ist ein Experiment, in dem der japanische Forscher Atsushi Tero und sein Team das Schienenverkehrsnetz Tokios durch Schleimpilze simuliert haben. Sie taten dies in der Absicht, die Reisezeiten des Streckennetzes zu minimieren. Dabei haben die Forscher die Kosten der Streckenbaus auf bestimmte Weise spezifiziert. Sie haben nämlich die Anzahl aller möglichen Verbindungen mit den faktischen Verbindungen verglichen, um so die Transportleistung mit der Fehlertoleranz (Resilienz) des Verkehrsnetzwerks gegen Ausfälle abzuwägen. Ihre Berechnungen zeigen, das “Physarum polycephalum” durchaus mit den Planern der Tokioer Nahverkehrsinfrastruktur mithalten kann. Der Schleimpilz konnte sogar eine höhere Transportleistung erzielen als das reale System und war den Planern, die im Unterschied zum Pilz auf systemweites Wissen zurückgreifen können, in den anderen Kategorien nur marginal unterlegen. Adam Adamatzky (2012) liegt also nicht falsch, wenn er vorschlägt, dass Simulationen mit Schleimpilzen womöglich solche durch Computer ersetzen könnten.

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