Mind of Mold and Man - Der Schleimpilz Physarum polycephalum als Modellsystem universeller Entscheidungsprozesse

Prof. Dr. Hans-Günther Döbereiner

Institut für Biophysik, Universität Bremen

 

 

Entscheidungen zu treffen ist ein zentrales Element des Lebens. Dies gilt für alle Organisationsformen und Hierarchien unseres Ökosystems Erde. Wir Menschen treffen bewusste Entscheidungen in unserem sozialen Umfeld. Tiere und Pflanzen reagieren auf ihre Umwelt und agieren in ihr. Doch auch niedere Lebensformen ohne Bewusstsein, ohne Gehirn, ja sogar ohne  Nervensystem sind in der Lage komplexe Entscheidungen zu treffen. Ausgehend von einer bestimmten Situation charakterisiert durch ihren Informationsgehalt, sowie raumzeitliche Randbedingungen ist ein Lebewesen im Allgemeinen bestrebt seinen Zustand zu optimieren. Sein Verhalten ist geprägt durch eine Abfolge von Entscheidungen, deren Erfolg oder Misserfolg je nach Maß unterschiedlich bewertet werden. Abstrakt gesehen ist eine Entscheidung also ein logischer Prozess der bestimmten Ausgangsvariablen bestimmte Ergebnisse zuordnet, die eine Entscheidungsfunktion optimieren. Bestimmend für die Entscheidung ist die Struktur des Prozesses nicht die Lebensform. Um eine Entscheidung zu treffen ist lediglich ein dem Grad der Komplexität der Entscheidung angepasstes System nötig auf dem durch emergente Prozesse Entscheidungen getroffen werden. So gesehen ist es vielleicht nicht mehr so verwunderlich, dass sich das Verhalten von Schleimpilzen mit dem Vokabular der humanen Verhaltenspsychologie beschreiben lässt. Kann man nun aus dieser empirischen Beobachtung die Existenz von universellen Mechanismen des Entscheidens ableiten? Dieser Frage wollen wir in der Ringvorlesung nachgehen. Über mehrere Semester werden wir aus den unterschiedlichsten Fachgebieten und Disziplinen hören wie sich Entscheidungen und Lösungswege darstellen. Eine Hypothese ist die, dass Entscheidungsprozesse im Allgemeinen durch die logische Verknüpfung von modularen Informationsinhalten nach simplen Heuristiken ablaufen.

        Am Anfang sollen die Schleimpilze stehen. Es wird sich zeigen, dass viele Analogien zu den in der Ringvorlesung vertretenen Fachgebieten bestehen. Ich will Ihnen das adaptive Transportnetzwerk von Physarum polycephalum vorstellen, siehe Bild. Dieses Netzwerk besteht aus einzelnen verknüpften Adern einer einzigen Zelle mit mehreren Zellkernen, deren peristaltische, quasi-periodische Oszillationen die Zellflüssigkeit, das Zytosol, durch die Adern fliesen lässt. Mit dieser Netzwerkstruktur, die bis zu mehreren Quadratmetern wachsen kann, gelingt es Physarum, die oben erwähnten komplexen Optimierungsaufgaben zu lösen. Mit anderen Worten, das Netzwerk entscheidet wohin das Plasmodium, d.h., der Zellkörper, sich bewegen oder wachsen soll um Nahrungsplätze zu verbinden oder Gefahrenzonen zu meiden. Physarum kann den kürzesten Weg in einem Labyrinth finden und entwirft realen Bahnnetzen verblüffend ähnliche, robuste und effiziente Transportnetze. Darüberhinaus können Plasmodien periodische Events antizipieren und versehen es sich in räumlich und zeitlich fluktuierenden riskanten Umgebungen geschickt zu platzieren.

        Ich möchte ihnen nach einer Einführung in die Welt der Schleimpilze kurz einige unserer eigenen Forschungsergebnisse vorstellen. Dabei wird es um simple Skalengesetze bei der Futtersuche, die Topologie als Ordnungsprinzip, also die Art und Weise wie Strukturen zusammenhängen,  und das  Wachstumsverhalten von Netzwerken  gehen. Letztere kann man abstrakt als Graphen verstehen, also Linien die von und zu sogenannten Knoten führen und dort miteinander verbunden sind. Ihr Freundesnetzwerk auf Facebook oder im realen Leben ist eine sogenannte kleine Welt d.h. es gibt kurze Verbindungswege in dem Netzwerk zwischen fast jedem Knotenpaar. Der Schleimpilz bevorzugt stattdessen lokale Nachbarschaftsnetzwerke.

        Ich freue mich auf die weiteren Themen der kommenden Semester aus den Geistes-, Ingenieur-, Natur- und Sozialwissenschaften und hoffe wir sehen uns im 2-wöchigen Rhythmus in der Rotunde im Kartesium.

 

 

Weiterführende Informationen über Schleimpilze findet man auf der Webseite der Ringvorlesung www.decisions.uni-bremen.de oder auf der Webseite des seit mehr als einer Dekade ersten internationalen Physarum Workshops PhysNet 2015  http://physnet.bionetics.org der im Dezember 2015 an der Coumbia University in New York City stattfand.

 

 

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Slime Molds - Institut für Biophysik