Der schlaue Schwarm

Simulation und Wirklichkeit

Die Idee zum Quarks-Experiment geht auf die Arbeit britischer Forscher zurück, genauer: auf Vermutungen und Vorhersagen, die sie formulierten. Die Verhaltensbiologen hatten lange verschiedene Tierschwärme und Menschengruppen beobachtet, um dem Geheimnis der Schwarmbewegungen auf die Spur zu kommen. Anhand dieser Beobachtungen hat das Team, unter ihnen der Deutsche Jens Krause und sein Doktorand John Dyer, eine Computersimulation programmiert, die das Verhalten eines Schwarms vorhersagt. Darin genügt es, wenn jedes Schwarmmitglied ein paar simple Regeln befolgt, und schon funktioniert der Schwarm.

Aber Computerwelt und Wirklichkeit sind bekanntlich nicht unbedingt dasselbe. Deshalb wollten die Forscher und Quarks & Co gemeinsam in einem großen Versuch zu testen, ob sich auch ein realer, großer Schwarm so verhält wie der Rechner es vorhersagt. Am 11. März war es soweit: Rund 300 Freiwillige kamen in der Halle 1 der Messe in Köln zum großen Schwarm-Experiment zusammen und formten unter der Anleitung von Jens Krause und John Dyer einen gigantischen Schwarm. Angefeuert und beobachtet wurden sie von Ranga Yogeshwar und Bestseller-Autor Frank Schätzing – der durch seinen Roman "Der Schwarm" ein besonderes Interesse an Schwärmen hat.

Die wichtigsten Ergebnisse des Experiments können Sie sich hier als Film ansehen…

Menschen als Schwärmer

Die Probanden hören den Erklärungen der Versuchsregeln zu

Das Modell von Jens Krause und seinen Kollegen ist universell und gilt für jede Art von Schwarm. Doch nur mit einem menschlichen Testschwarm lässt es sich überprüfen. Denn nur mit Menschen kann man gezielt die Situationen und Regeln verabreden, die die Forscher untersuchen wollen. Beim Experiment gilt: die menschlichen Schwärmer kennen nur einen Teil der Ziele und Regeln. Die Versuchsteilnehmer wissen nur, dass allgemein die Bewegungsdynamik großer Gruppen von Interesse ist. Was im Einzelnen hinter den Experimenten steckt, haben die Forscher ihnen nicht gesagt, damit die Probanden den Ausgang der Versuche nicht versehentlich oder absichtlich beeinflussen.

Die Gesetze des Schwarms

Damit im Menschenschwarm dieselben Voraussetzungen gelten wie in einem Tierschwarm, gilt während der Versuche striktes Redeverbot. Jeder Teilnehmer bekommt nur einen Zettel mit Anweisungen, die er für sich behalten muss. Die meisten lesen darauf nur die allgemeinen Schwarmgesetze, aber einige Probanden bekommen in verschiedenen Teilversuchen geheime Sonderanweisungen.

Die allgemeinen Gesetze für jeden Schwärmer sind einfach:

1. Bleibe immer in Bewegung
2. Bleibe immer etwa eine Armlänge entfernt von den anderen Schwärmern um Dich herum

Damit müsste der Schwarm immer zusammenhalten und sich als Ganzes im Raum bewegen, egal in welcher Situation – so die Vorhersage.

Ziellos ist nicht planlos

Ohne Ziel formiert sich der Schwarm zur rotierenden Walze

Im ersten Durchgang gelten die beiden allgemeinen Schwarmgesetze für alle: Bewegung und gleich bleibender Abstand voneinander. Der Schwarm bewegt sich also, hat aber kein konkretes Ziel. Beim Versuchsstart hat er die Form einer ungeordneten Wolke, alle laufen durcheinander. Doch sehr schnell formiert sich die Menge: Eine um sich selbst rotierende Walze mit einem Loch in der Mitte entsteht, ein sogenannter Thorus. Diese Form bildet sich spontan: Jeder läuft hinter dem anderen her – so muss niemand ausweichen und die Gefahr von Zusammenstößen ist klein. Etwas Ähnliches haben die Forscher auch bei Haischwärmen beobachtet. Was aber überraschend war: Statt dass sich alle in dieselbe Richtung bewegen, laufen die menschlichen Schwärmer in ihrer Walze in zwei Streifen mit entgegengesetzen Laufrichtungen. Das können sich die Wissenschaftler zunächst nicht erklären.

Der Jäger kommt

Auch im nächsten Versuch sollen alle Schwärmer die beiden Grundregeln befolgen. Zusätzlich aber wird der Schwarm von einem Jäger bedroht – in Gestalt des Quarks-Moderators Ranga Yogeshwar. Dabei gilt folgende Zusatzregel: Jeder einzelne Schwärmer muss ausweichen, wenn der Jäger kommt, und mindestens zwei Armlängen Abstand zu ihm halten. Ranga selbst hat die Anweisung, sich immer der am nächsten laufenden "Beute" zu nähern. In diesem Versuch verhält sich der Testschwarm wie ein richtiger Heringsschwarm: Vor dem Räuber teilt er sich, und hinter ihm fließt er wieder zusammen. Räuber Ranga schafft es weder, den Schwarm dauerhaft zu spalten, noch einen Schwärmer zu erwischen. Sein Kommentar zu dieser Erfahrung "So ein Hai hat wirklich einen Scheißjob…"

Wie viel Wissen braucht der Schwarm?

Oft ist es für einen Schwarm wichtig, ein Ziel zu erreichen, von dem nur wenige im Schwarm wissen –eine reiche Futterstelle etwa. Die englischen Forscher wollen im Kölner Experiment nun herausfinden, wie viele Mitglieder mindestens das Ziel kennen müssen, damit der ganze Schwarm geschlossen dort ankommt: Zunächst bekommen nur 5 der 200 Schwärmer ein solches Ziel: In der wie ein Ziffernblatt aufgeteilten Versuchsarena sollen sie zur Ziffer 11 laufen. Gleichzeitig sollen sie den beiden allgemeinen Schwarmregeln gehorchen. Jeder der Fünf weiß nur: Er will zur 11. Keiner hat den Anspruch, den Schwarm zu führen und keiner weiß, dass außer ihm auch andere ein Ziel haben. Trotzdem finden sich die Fünf spontan zusammen, lösen sich vom Schwarm ab und laufen zur 11. Aber sie bleiben dort allein und kehren schließlich wieder zum Schwarm zurück.

Fünf Prozent lenken den Schwarm

10 Schwärmer schaffen es, den ganzen Schwarm zum Ziel zu lotsen

Ein zweiter Versuch mit mehr Sonderbeauftragten zeigt Erfolg: 10 zielgerichtete Schwärmer schaffen es diesmal, den gesamten Schwarm zu ihrem Ziel – diesmal die Ziffer 1 - mitzunehmen. Es reicht also, wenn fünf Prozent (10 von 200) ein Ziel kennen, um den ganzen Schwarm dort hin zu bringen. Übrigens hatte die Computersimulation der Forscher diesen Anteil schon vorhergesagt. Doch der Versuch bringt noch eine weitere Erkenntnis: Führerschaft im Schwarm kommt nur durch den Besitz von Information zustande. Jeder, der etwas weiß, kann den Schwarm leiten.

Demokratie und Klugheit

Statt sich blind zu entscheiden, testet der Schwarm beide Ziele

Was aber, wenn es in einem Schwarm unterschiedliche Zielvorstellungen gibt? Um das herauszufinden geben Jens Krause und John Dyer zwei Untergruppen von 20 und von 10 Schwärmern genau entgegengesetzte Ziele. Ihre Prognose: Der gesamte Schwarm wird das Ziel der Mehrheit ansteuern, inklusive der Untergruppe, die eigentlich wo anders hin will. Das sagt ihre Simulation voraus, und das leuchtet auch ein: Die Chancen, dass die Mehrheit sich weniger irrt als die Minderheit, ist groß. Doch im Versuch verhält sich der Testschwarm nicht demokratisch, sondern salomonisch: Der runde Thorus streckt sich zur Wurst, in der die Schwärmer zwischen beiden Zielen hin und her strömen. Die Forscher sind verblüfft, erkennen aber sofort einen biologischen Nutzen: Wenn für den Schwarm zwei verschiedene Ziele nahe genug beieinander liegen, probiert er erst beide aus und entscheidet dann, welches das bessere ist.

Wie das Schwarm-Experiment zustande gekommen ist sehen Sie hier in unserem "Making of..."