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Komplexe Systeme

Wirken die Komponenten eines Systems in geeigneter Weise zusammen, so zeigt sich die Emergenz neuer Funktionen und Eigenschaften. Für ihre Dynamik und Struktur benötigen komplexe Systeme Energie. Ändert sich eine Komponente, hat dies Folgen für das Gesamtsystem. Theoretische Modelle müssen Raum- und Zeitskalen integrieren und die Sebstorganisation einzelner Systemelemente, aber auch kollektiver Phänomene berücksichtigen.

Systeme bestehen aus klar abgegrenzten einzelnen Komponenten, die im Miteinander eine Funktionseinheit bilden. Einfache Systeme bestehen aus wenigen Komponenten; ihr Verhalten lässt sich vollständig verstehen und vorhersagen. Betrachten wir als Beispiel den freien Fall eines Balls in der Luft, so besteht dieses einfache System aus dem Ball, der von der Schwerkraft angezogen und vom Luftwiderstand gebremst wird. Betrachtet man nun mehrere, miteinander fallende Bälle, so wird das System komplex: Die Luftwirbel hinter jedem Ball beeinflussen jetzt die Fallbewegung der folgenden auf eine Weise, die sich nicht aus der Fallbewegung ­eines einzelnen Balls vorhersagen lässt. Komplexe Systeme enthalten eine Vielzahl von Komponenten, die zusammen­wirken und damit eine Funktionseinheit bilden. Dabei selbstorganisiert sich die »emergente« Funktion des Systems ohne jede übergeordnete Kontrollinstanz1.

DIE KOMPLEXITÄT DES LEBENS

In der Natur ­dominieren komplexe, sich selbst organisierende Systeme. Sie sind Teil unseres Alltags, von Ökologie, Soziologie und Ökonomie bis hin zur Biologie, Chemie, Medizin und Physik. In vielen Systemen lassen sich einander ganz ähnliche räumliche und zeitliche Strukturen beobachten.

So lässt sich beispielsweise fragen: Sind die großräumigen, periodischen Muster von Sanddünen verwandt mit den nur wenige Nanometer großen Mikrostrukturen so genannter Blockcopolymere? Oder: Ähnelt die Turbulenz im Innern von Sternen der in einer frisch umgerührten Tasse Kaffee? Gibt es Querbeziehungen zwischen dem Herzflimmern und der dynamischen Ansammlung sozialer Amöben? Erstaunlicherweise lautet die Antwort stets: Ja.

<b>Bild 1 | Gewebe sind in Zellbereiche unterteilt, die durch scharfe Grenzflächen voneinander getrennt sind.</b> <b>a</b> In den Flügeln werden zwei Zellbereiche durch die Markierung mit grün fluoreszierenden Proteinen sichtbar. <b>b</b> Simulation der Grenze zwischen zwei Zellbereichen, wie sie durch Spannungen in der Zellbindung entstehen Bild vergrößern
Bild 1 | Gewebe sind in Zellbereiche unterteilt, die durch scharfe Grenzflächen voneinander getrennt sind. a In den Flügeln werden zwei Zellbereiche durch die Markierung mit grün fluoreszierenden Proteinen sichtbar. b Simulation der Grenze zwischen zwei Zellbereichen, wie sie durch Spannungen in der Zellbindung entstehen [weniger]

Mit Hilfe von Computersimulationen und moderner Experimentiertechnik gelingen Forschern heute detaillierte Analysen der räumlichen und zeitlichen Entwicklung komplexer Systeme – nicht nur von räumlich ausgedehnten Systemen2, sondern auch von stark miteinander gekoppelten Netzwerken.

Höhere Lebensformen entwickeln sich durch kollektive Organisation zahlloser Zellen. Aber schon die Zellen selbst bilden komplexe Systeme. Hoch entwickelte genetische Regelkreise schaffen Strukturen, die sich selbst erhalten oder Teil eines über­geordneten vielzelligen Organismus sind3. Hier, sowohl auf der Ebene der Ein- als auch der Vielzeller, stehen die Forscher noch vor fundamentalen Herausforderungen, um die Prinzipien hinter den Entwick­lungsprozessen zu verstehen, die zu den komplexen Mustern und Formen führen4 (Bild 1).

 
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