Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die Welt ist nicht genug

05.12.2005


Realistische Modelle agentenbasierter Systeme eröffnen neue Möglichkeiten


Ein internationales Wissenschaftlerteam hat eine neue Strategie entwickelt, um agentenbasierte Systeme aller Art ausreichend realistisch abzubilden und so mit Hilfe von Computermodellen Entwicklungen zu verstehen und vorherzusagen. Die Wissenschaftler um den Ökologen Volker Grimm vom Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle (UFZ) stellen diese Form der Modellierung in der neuesten Ausgabe des renommierten Wissenschaftsmagazins „Science“ (Vol. 310, Nr. 5750 vom 11. November 2005) vor. Die musterorientierte Modellierung sei nicht nur in der Umweltforschung einsetzbar, sondern überall dort, wo agentenbasierte komplexe Systeme existieren, also beispielsweise auch in Finanzmärkten, der Verkehrs- oder Stadtplanung.

James Bond als Vorbild


Sie sind überall: Kunden im Supermarkt, Makler an der Börse oder Bäume im Wald – Agenten. Diesen Begriff haben Wissenschaftler eingeführt, um Individuen aller Art zu beschreiben und modellierbar zu machen, damit Prozesse in Natur oder Gesellschaft besser verstanden werden. Beim Wort Agent denken viele an James Bond, den Geheimagenten im Dienste ihrer Majestät. Was macht aber 007 überhaupt zu einem Agenten? „Er hat einen Auftrag, aber wie er diesen Auftrag erfüllt, ist ihm selbst überlassen. Er ‚agiert’ autonom und passt seine Entscheidungen den jeweiligen Umständen an. Und das ist es, was wir auch für die Agenten der Ökologie annehmen, die einzelnen Organismen. Sie haben den Auftrag ihre Gene weiterzugeben, also möglichst viele überlebende Nachkommen zu erzeugen“, sagt Dr. Volker Grimm. „Aber die Organismen müssen selbst entscheiden, wie sie ihr Ziel erreichen: Bin ich hungrig, dann muss ich das Risiko in Kauf nehmen, bei der Nahrungssuche gefressen zu werden. Bin ich satt, dann bleibe ich lieber in Sicherheit.“ Allen Agenten, ob James Bond, Autofahrer oder Braunbär, ist gemeinsam, dass sie diskrete autonome Einheiten sind, die ein Ziel verfolgen und die ihre Entscheidungen an ihre Umgebung anpassen.

Ohne Regelmäßigkeiten keine Wissenschaft

Agentenbasierte Systeme sind meist so komplex, dass sie nur in einzelnen Aspekten beschreibbar sind. Niemand ist beispielsweise in der Lage, die komplette Entwicklung einer Millionenmetropole mit allen sozialen und ökonomischen Aspekten im Computer zu simulieren. Einzelne Aspekte wie beispielsweise der Wasserverbrauch dagegen sind in Modellen darstellbar. Doch wie überall im Leben stecken auch hier die Tücken im Detail. Modelle sind nur dann wirklich brauchbar, wenn sie nicht zu komplex sind. Schon Albert Einstein soll gesagt haben: „Alles sollte so einfach wie möglich gemacht werden, aber nicht einfacher“. Gerade Sozialwissenschaftler hätten aber oft Skrupel, den Menschen einfach zu beschreiben, meint Volker Grimm. Dies führt zu Modellen, die entweder schwer zu durchschauen sind oder aber so abstrakt, dass ihr Bezug zur Realität unklar bleibt. Die in dem Science-Artikel beschriebene neue Strategie führt zu Modellen, die realistisch sind und trotzdem einfach genug, um verstanden zu werden.

Der Gebrauch von Mustern ist ein Weg, sich auf die notwendigsten Informationen über die interne Organisation komplexer Systeme zu konzentrieren. Muster sind Beobachtungen aller Art, die nichtzufällige Strukturen zeigen und deshalb Informationen enthalten über die Mechanismen, aus denen sie entstehen. Komplexe Systeme enthalten Muster auf verschiedenen hierarchischen Ebenen und Skalen. In Ökosystemen lassen sich beispielsweise Muster in Artenzusammensetzung, räumlichen Strukturen oder dem Verhalten individueller Organismen beobachten. „Wissenschaft fängt dann an, wenn ich irgendeine Regelmäßigkeit sehe. Wenn komplexe Systeme einfach nur komplex und chaotisch wären, dann könnte ich keine Wissenschaft komplexer Systeme machen. Wir müssen nur lernen, die Muster zu sehen. Das Besondere bei komplexen Systemen ist, dass es dort nicht mehr ausreicht, sich nur auf ein einziges Muster zu konzentrieren.“ Es kommt also darauf an, nicht nur den Wald vor lauter Bäumen zu sehen, d.h. die Muster zu erfassen, die den Wald kennzeichnen, sondern auch umgekehrt die Bäume vor lauter Wald zu sehen und ihr Verhalten angemessen zu beschreiben.

Bäume als Agenten

Ein Beispiel für solche Modelle ist ein simulierter Urwald. Niemand weiß, wie die Urwälder aussahen, die die Germanen einst vorfanden. Ursprüngliche Wälder gibt es im heutigen Deutschland nicht mehr. Doch wie lassen sich Wälder gestalten, die ihrem Original möglichst ähneln? Und wie sollte eine möglichst naturnahe Bewirtschaftung aussehen? Fragen, die mit einem Praxisexperiment nur schwer zu beantworten sind. Immerhin dauert ein kompletter Zyklus von Heranwachsen, Gedeihen und Verfallen im Buchenwald rund 250 Jahre. Computermodelle können dieses Dilemma lösen: Muster aus Resturwäldern in der Slowakei sowie das reichhaltige Erfahrungswissen der Förster über das Schicksal einzelner Buchen wurden verwendet, um ein einfaches und doch realistisches Buchen-Urwaldmodell zu entwickeln.

Der Aufwand für das Entwickeln und Testen derartiger Modelle kann, wie zum Beispiel im Fall eines Modells für artenreiche Tropenwälder, erheblich sein und Jahre in Anspruch nehmen. Aber es lohnt sich. „Wir verwenden die überprüften Modelle als virtuelle Laboratorien“, erzählt Grimms Kollege Dr. Andreas Huth. „Beim Tropenwaldmodell können wir so mit der gedachten Kettensäge alle 10, 20 oder 30 Jahre durch den Modellwald gehen und einen bestimmten Prozentsatz der Bäume ernten, und dann schauen wir einfach, wie der Wald darauf reagiert. So finden wir heraus, wie man den Wald nachhaltig bewirtschaften kann, so dass auch künftige Generationen ihn nutzen können, sei es für Holz oder andere Zwecke.“ Musterorientierte Modelle haben die Wissenschaftler des UFZ auch entworfen, um die Ausbreitung der Braunbären in Österreich, die Wiedereinbürgerung des Luchses in Deutschland, oder die Tollwutgefahr durch infizierte Füchse vorherzusagen. Bei der Tollwutmodellierung geht es beispielsweise darum, die beste Bekämpfungsstrategie zu ermitteln und zu untersuchen, wie viele Impfköder überhaupt notwendig sind. Inzwischen ist die Tollwut in Deutschland fast ausgerottet. Trotzdem besteht die Gefahr, dass sie durch infizierte Füchse aus den Nachbarländern wieder eingeschleppt werden kann. Auch in Osteuropa sollen in den nächsten Jahren die Füchse per Köder geimpft werden. Per Computermodell wollen die UFZ- Wissenschaftler deshalb testen, wie das am kostengünstigsten geschehen kann.

Eine neue Systemtheorie?

„Es gab immer wieder Versuche, eine allgemeine Systemtheorie aufzustellen. Diese waren oft von stark vereinfachenden mathematischen Ansätzen geprägt.“ Für agentenbasierte Systeme sei dieser Ansatz zu unflexibel, meint Volker Grimm, der die neue Strategie als Vorbild sieht: „Es ging uns darum, über den ökologischen Tellerrand hinauszuschauen und zu Kollegen aus anderen Wissenschaftsdisziplinen zu sagen: Wir haben eine Strategie. Sie kann auch bei Systemen mit menschlichen Agenten zu Modellen führen, die das innere Gerüst dieser Systeme offen legt, so dass wir sie besser verstehen und steuern können.“ Im Hinblick auf eine allgemeine Theorie agentenbasierter Systeme ist Grimm optimistisch: „Die muster-orientierte Modellierung fasst gerade erst Fuß und wir erwarten eine schnelle Entwicklung in der Zukunft.“ Wahrscheinlich muss für eine neue Systemtheorie unsere Vorstellung von „Verstehen“ modifiziert werden. Die amerikanischen Sozialwissenschaftler Epstein und Axtell jedenfalls vermuteten schon 1996, dass wir eines Tages vielleicht die Frage: „Kannst du es erklären?“ interpretieren werden als „Can you grow it?“, das heißt, sind wir in der Lage, das zu Erklärende im Computer „wachsen“ zu lassen? Musterorientiertes Modellieren wird entscheidend zu diesem „wachsen lassen“ virtueller Welten beitragen.

Weitere fachliche Information über:

Dr. Volker Grimm
Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle (UFZ)
Telefon: 0341-235-2903
e-mail: volker.grimm@ufz.de

oder über

UFZ-Pressestelle
Doris Böhme
Telefon: 0341-235-2278
e-mail: presse@ufz.de

| Helmholtz Gemeinschaft
Weitere Informationen:
http://www.ufz.de/index.php?de=6365

Weitere Berichte zu: Agent Computermodell Füchse Modellierung Organismus Systemtheorie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Ökologie Umwelt- Naturschutz:

nachricht Fernerkundung für den Naturschutz
17.08.2017 | Hochschule München

nachricht "Brauchen wir das?" Auf dem Weg zu einer umweltgerechten Bedarfsprüfung von Infrastrukturprojekten
09.08.2017 | Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Ökologie Umwelt- Naturschutz >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie