Forschung: Rechenkünstler

Eine Gruppe junger Wiener Forscher erregt mit ihren Berechnungen komplexer Systeme Aufsehen in der Wissenschaftswelt. Kürzlich gelang ihr der Nachweis, dass Evolution auch ohne Intelligent Design funktioniert.

Abseits der Großbauten des Wiener AKH steht auf dem Krankenhausgelände ein kleines, feines Jugendstilgebäude. Es ist Teil der Hals-Nasen-Ohren-Klinik, aber weder Ärzte noch Patienten sind dort zu sehen. Nur hie und da stört ein Putztrupp die Stille in den Gängen. Im obersten Stockwerk des Hauses öffnen sich allerdings Welten. Denn dort erforscht der Elementarteilchenphysiker und Finanzwissenschafter Stefan Thurner, 37, komplexe Systeme – von der Evolution über Wirtschaftsprozesse bis hin zu molekularen Abläufen im menschlichen Organismus.

Der gebürtige Innsbrucker ist Mastermind und Sprecher der Complex Systems Research (COSY) Group, einer – wie er sie nennt – „Partisanentruppe“ aus Jungwissenschaftern, der es seit nunmehr drei Jahren gelingt, auf höchstem Niveau zu denken, zu rechnen, zu forschen – und mit ihren Publikationen internationale Beachtung zu finden.

Sonderdruck. Jüngster Erfolg der Gruppe: der mathematische Beweis, dass die plötzliche sprunghafte Entwicklung von Millionen von Arten im prähistorischen Kambrium funktioniert, ohne dass ein Intelligenter Designer dafür notwendig wäre (siehe Kasten auf Seite 138). Die renommierte American Physical Society beurteilte die Arbeit als so bemerkenswert, dass sie diese kürzlich als „herausragenden Forschungsbeitrag“ mit einem Sonderdruck würdigte.

Die Idee dazu entstand in der Wüste des US-Bundesstaates New Mexico am berühmten Santa Fe Institute (SFI), von dem Thurner seit Jahren regelmäßig als Gastforscher eingeladen wird. An dieser Institution beschäftigen sich neben einer Hand voll angestellter Wissenschafter vor allem geladene Geistesgrößen aller Disziplinen seit mehr als 20 Jahren mit der Erforschung so genannter komplexer Systeme.

Das sind Systeme, die sich nicht vereinfachen, sich nicht auf ihre Bestandteile reduzieren lassen, wie beispielsweise das menschliche Gehirn, die Evolution oder das Zusammenwirken von Menschen in einem sozialen Raum. Lange Zeit galt es als unmöglich, solche Systeme auch nur abzubilden – zu kompliziert ist das Zusammenspiel ihrer Teile. Stattdessen versucht die Wissenschaft seit Jahrhunderten, sie zu zerlegen, um das Funktionieren kleiner Einheiten im großen Ganzen zu verstehen. Doch das klappt nur unzureichend: Von der Medizin bis zur Meteorologie müssen Forscher ein ums andere Mal erkennen, dass ein Ganzes mehr ist als die Summe seiner Teile.

Nachdenken. Hier haken Theoretiker wie jene am SFI ein. An der Vorreiterinstitution der Komplexitätsforschung werden Wissenschafter dazu ermuntert, über alles nachzudenken, was denkbar erscheint, egal, wie abwegig es auch sein mag. Wer eine Idee hat, tauscht sich mit anderen Spitzenforschern aus: auf Konferenzen und Symposien oder einfach am Abend beim Bier. „Wenn ich vier Wochen in Santa Fe war, habe ich fünf neue Artikel in Arbeit“, ist Thurner von der zwanglosen Atmosphäre des Santa Fe Institute begeistert. Es wird geplaudert, es wird vernetzt – und dann über Kontinente hinweg gemeinsam weiter am Thema gearbeitet. „Wir sind ja heute alle mobil, und es gibt das Internet. Nur hin und wieder muss man alle auf einen Haufen bringen. Das reicht für neue Ideen.“

Auch die Arbeit über die Evolution ist so entstanden. Im Jahr 2004 traf der Wiener Physiker in Santa Fe mit Stuart Kauffman zusammen, einem Evolutionsbiologen, Philosophen, Nobelpreisanwärter und Mitglied des erlauchten amerikanischen „Club der Genies“. Kauffman hatte sich lange den Kopf über Darwins Evolutionstheorie zerbrochen. Denn wenn sich, wie Darwin annahm, Organismen oder Arten Schritt für Schritt an die jeweiligen Bedingungen ihrer Umgebung anpassen, müsste ihre Vielfalt langsam und stetig zunehmen.

Doch so läuft es nicht: Leben existiert auf der Erde seit etwa 1,9 Milliarden Jahren, fast die ganze Zeit über in Form von Einzellern – nichts weiter. Und dann, in einem Augenblick von nur wenigen Millionen Jahren, vollzieht sich der wohl größte Artenschub aller Zeiten. Diese Phase der Erdgeschichte vor mehr als 500 Millionen Jahren wird kambrische Explosion genannt. Genauso sprunghaft verlief die Entwicklung der Dinosaurier (siehe Grafik).

„30 Jahre Forschung haben mich überzeugt, dass natürliche Selektion zwar wichtig, aber nicht allein verantwortlich für die vielgestaltige Architektur unserer Bio-sphäre sein kann“, umriss Kauffman seine Überlegungen in dem Buch „At Home in the Universe“. Sein Schluss: Eine weitere Quelle für die unglaubliche Vielfalt in der belebten Welt müsse Selbstorganisation sein. Sie entsteht ganz spontan überall dort, wo Systeme eine bestimmte Komplexität überschreiten: Auf wundersame Weise fügen sich ungeordnete Haufen plötzlich zu strukturierten Gebilden, ordnen sich nach raffinierten Mustern – zu komplexen Systemen.

„Stuart wusste aus dem Bauch heraus, dass es da eine scharfe Grenze geben muss zwischen der nicht explosiven und der explosiven Phase“, erzählt Thurner. „Ich wollte das mathematisch beweisen.“ Gemeinsam mit seinem Mathematikerkollegen Rudolf Hanel ging Thurner in Belgien in Klausur. Wenig später publizierten sie gemeinsam mit Kauffman ihren Artikel im US-Fachjournal „Physical Review“.

Sprunghaft. Zum Verständnis des Formelgewirrs wäre wohl ein Mathematikstudium erforderlich; im Gespräch mit Thurner erwacht es aber auch für Laien zum Leben: Zumeist sind es minimale Veränderungen, welche in komplexen Systemen den Anstoß zu einer großen Veränderung geben. Zwölf, 13 Häschenarten reproduzieren sich über Jahrtausende hinweg auf immer gleichem Stand. Entwickelt sich jedoch eine 14. Art, ist die kritische Grenze überschritten. Plötzlich tummeln sich hunderte neue Häschenvarianten im Wald.

„Wir konnten zeigen, dass sich evolutionäre Systeme – egal, ob im Kambrium oder in irgendeinem anderen Zusammenhang – immer sprunghaft verändern“, erklärt Thurner. Zum Beispiel das Warenangebot: Jahrhundertelang gab es im mittelalterlichen Europa nicht mehr als ein paar Dutzend Dinge auf dem Markt; in der Renaissance war dann auf einmal alles zu kaufen, was die damalige Welt zu bieten hatte. Und als sich mit der industriellen Revolution abermals einige Rahmenbedingungen verschoben, kam es zum nächsten Sprung in der verfügbaren Warenmenge.

Umgekehrt sind evolutionäre Systeme auch sehr labil: Schon minimale Verschiebungen können so ein System zum Kippen bringen. So sind 99 Prozent aller je entstandenen Arten wieder vom Erdboden verschwunden – ohne dass die Ursache der plötzlichen Massensterben immer klar ist. Durch die Erfindung des Automobils waren Pferdefuhrwerke – noch vor hundert Jahren eine blühende Industrie – binnen kurzer Zeit von den Straßen verschwunden. Auch unser heutiges gigantisches Waren- und Wirtschaftssystem könnte kollabieren, änderte sich nur ein einziger Faktor: die Versorgung mit Erdöl.

Mithilfe mathematischer Formeln lässt sich nun simulieren, welche Faktoren für so ein Kippen – ins Explosive wie in den Zusammenbruch – maßgeblich sein könnten. Voraussetzung sind möglichst umfangreiche Daten über und Zusammenhänge innerhalb des jeweiligen Netzwerks. Diese Datenmengen werden in Großrechnern verarbeitet, die Millionen von Simulationsdurchgängen bewältigen und am Ende Kurven möglicher Netzwerk-Dynamiken ausspucken.

Solche Simulationen lassen sich in unterschiedlichsten Bereichen einsetzen. Etwa in der Medizin: Im Rahmen des Siegerprojekts der Life-Science-Ausschreibung 2003 des Wiener Wissenschafts-, Forschungs- und Technologiefonds (WWTF) versucht Thurners Gruppe, jene Gen-Kombinationen herauszufiltern, die für die Entstehung von Diabetes verantwortlich sind. Die COSY-Leute gehen hier völlig neue Wege: Nicht einzelne Gene werden aus dem Zusammenhang gerissen untersucht – der sonst übliche Ansatz. Gesucht wird vielmehr nach funktionellen Gen-Gruppen. Zu diesem Zweck wird in aufwändiger Laborkleinarbeit jedes einzelne jener Gene an- und abgeschaltet, die im ersten Schritt als möglicherweise Diabetes-relevant herausgefiltert wurden. „Das sind etwa 600, von denen wir besonders auffällige Kandidaten testen“, erklärt Thurner. Jedes An- und Abschalten erzeugt nun ein Reaktionsmuster im Gesamtnetzwerk der Gene; diese Muster werden gesammelt und in einen Computer gespeist. „Am Schluss werden wir rechnerisch alle möglichen Parameter verschieben und schauen, welches Gen was bewirkt“, so Thurner über die laufenden Arbeiten, aus denen schon zwei Patentanträge erwachsen sind. Die Ergebnisse könnten zum Beispiel für die Optimierung von Medikamenten verwendet werden, die ja nie nur Wirkung, sondern immer auch Nebenwirkungen haben.

Ein anderer Anwendungsbereich der Komplexitätsforschung ist die Wirtschaft. „Unternehmen können ihre Stellung in einer gegebenen Marktwirtschaft analysieren lassen: Wie stehe ich da im Vergleich zur Konkurrenz? Und was muss ich tun, um meine Position zu verbessern?“, erklärt Thurner. Bei entsprechendem Handeln kann es Betrieben gelingen, in eine explosive Phase zu kommen. So ist es Apple mit der Entwicklung des iPod nicht nur gelungen, wieder zu einem hoch profitablen Unternehmen zu werden. Das kleine Gerät hat auch gleich einen Evolutionsschub in der Musikindustrie ausgelöst.

Ideale Bedingungen. So betrachtet die Gruppe die unterschiedlichsten Bereiche: von der Sicherheit des österreichischen Bankennetzwerks über die Wanderbewegung von Brustkrebszellen bis zur Ausbreitung von Erdöl in Sandstein. Oder wie moralische Normen in einer Gesellschaft von der Größe der Bevölkerungsgruppen abhängen – eine Arbeit, die gerade in Begutachtung ist.

Finanzwesen. Wirtschaft. Genetik. Evolution. Komplexe Netzwerke – und das alles an einer HNO-Klinik? „Die sollen ruhig andere Sachen machen“, ist Klinikvorstand Klaus Ehrenberger von der Sinnhaftigkeit multidisziplinärer Arbeit für seine Abteilung überzeugt. Durch die Schaffung einer eigenen Stelle hatte er die Grundlagen für Thurners Gruppe gelegt. „Genau so entstehen neue Ideen, auf die wir Mediziner nie kommen, wenn wir alleine darüber nachdenken“.

Tatsächlich scheint es, als wären die Rahmenbedingungen für die Gruppe ideal, um schubartig Neues entstehen zu lassen. „Das geht nur, weil jeder von uns in mindestens zwei verschiedenen Bereichen – Medizin, Wirtschaft, Physik, Biologie – hervorragend ausgebildet ist“, glaubt COSY-Chef Thurner eine entscheidende Bedingung für interdisziplinäre Forschungsgruppen gefunden zu haben. Und: Wer heute studiere, lerne nicht, geordnete Denkbahnen zu verlassen. Doch exzellente neue Ideen entstünden nur aus dem Chaos kreativer Prozesse, ist der Forscher überzeugt: „Man muss Neues wagen und den Wahnsinn zulassen.“

Von Verena Ahne