Mahlzeit, Dino!
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Die Modellierung biologischer Vorgänge hat jetzt auch die Paläontologie erreicht. Vor kurzem habe ich den Bio-Informatiker Kevin Healy am Trinity College in Dublin besucht. Er berechnet das Fressverhalten fleischfressender Saurier in der Urzeit. Sein Interesse gilt der Frage, welchen Anteil Aasfleisch gegenüber dem Jagen lebender Beuter haben könnte. Er konnte im Computermodell nachweisen, dass die sich stark unterscheidende Körpergröße unterschiedlicher Sauriertypen ein wichtiger Parameter für den prozentualen Anteil von Aas und Frischfleisch an ihrer Nahrung ist.
Kevin Healy ist ein junger Bioinformatiker, der sich in seiner Dissertation mit der Entwicklung von biologischen Modellen befasste. Sie drehten sich um den Einfluss der Körpergröße von Tieren beim Jagd- und Fluchtverhalten. Mit Dr. Adam Kane, einem Kollegen, dessen Spezialgebiet das Fressverhalten von Aasgeiern ist, hat er sich einer ganz neuen Forschungsaufgabe zugewandt, eine, die – wie Healy selbst sagt – eher zufällig “beim Tee” entstand – wo sonst in Irland als ehemaligen Mitglied im großen britischen Empire! Wie viel Aasfleisch hatten heute ausgestorbene Tiere wie die Saurier auf dem Speiseplan? Dass dies ein größerer Teil war, das hielten Biologen schon länger für wahrscheinlich, allein: einen Beweis dafür konnten sie nicht vorlegen. Denn das Knochenskelett – einzige Relikte ausgestorbener Gattungen – gibt für die Beantwortung dieser Frage einfach nicht genügend Anhaltspunkte. Doch in mathematischen Modellen lässt sie sich jetzt zumindest in erster statistischer Näherung beantworten.
In rund hundert Modellvarianten mit unterschiedlichen Parametern untersuchten Healy und Kane das gesamte Spektrum von Sauriern, von sehr kleinen Arten mit einem Gewicht von nur zehn Kilogramm bis zu den mehr als eine Tonne schweren Varianten wie dem Tyrannosaurus Rex. Auf der Grundlage eines mathematischen Modells der heutigen Serengeti spielten die Forscher mit unterschiedlichen Parametern und haben damit nachgewiesen: Kein Saurier konnte von Aasfleisch allein satt werden. Aber bestimmte Saurierarten konnten damit einen besonders hohen Anteil ihrer Nahrung abdecken, darunter einiges Saurier, die sich – unseren Hyänen gleich – bis zu neunzig Prozent aus Kadavern ernährten. Das jedenfalls zeigte ein typisches Muster, das fast bei allen Modellen nachweisbar war.
Die Parameter, die im paläontologischen Modell bestimmt werden konnten, bezogen sich zuerst einmal auf den Sauriertyp selbst: Die Körpergröße entscheidet mit der Größe des Magens beispielsweise darüber, wie viel Fleisch auf einmal aufgenommen werden kann. Gleichzeitig definiert sie über das Körpergewicht auch die Menge an Energie, die für die Motorik beim Umherwandern auf der Suche nach Fleisch erforderlich ist. Im Modell ließen sich zudem auch unterschiedliche Saurier-Populationen in einem Gesamtsystem abbilden: beispielsweise mit dem Verhältnis von fleischfressenden zu pflanzenfressenden Sauriern, aber auch mit Saurierarten unterschiedlicher Körpergrößen – zum Beispiel: viele kleine, aber wenige große Saurier und umgekehrt. Weiter erlaubte das Modell, die Wahrnehmungsschwelle zu variieren, bis zu der die Saurier die Kadaver wahrnehmen konnten: von zweihundert bis zu zweitausend Metern.
Bei fast allen Modellen zeigte sich das typische Muster: Die mittelgewichtigen Saurier zwischen 30 und 900 Kilogramm zeigten sich als jene Arten, die mit Aasfleisch ihren Nahrungsbedarf in hohem Maß abdecken konnten. Ganz kleine und sehr große Saurier dagegen haben sich offenbar mehr von lebendem Fleisch ernähren müssen. Noch ist das Modell jedoch nicht in der Lage, Saurier mit der Entscheidung auszustatten, sich zwischen der Jagd nach Frischfleisch und dem Mahl an Kadavern entscheiden zu können. Die Anforderungen an das Modell wären dafür zu komplex gewesen. Kevin Healy möchte dies jedoch im nächsten Schritt seiner Forschungen noch tun. Erstmals kam hier für die Saurierforschung die sogenannte agentenbasierte Modellierung zum Einsatz, in der sich Individuen im Gesamtsystem mit ihrem Verhalten selbst entwickeln können. Healy glaubt, wie er mir glaubhaft versicherte, dass diese Simulationsmethode für paläontologische Fragestellungen immer mehr in Mode kommen wird – vor allem dann, wenn es um Forschungen in großen Systemen geht; allerdings sagte er auch: „Ich glaube nicht, dass das Hard-Core-Graben nach fossilen Knochen gänzlich aus der Mode geraten wird!“
Susanne Päch schrieb (9. Januar 2017):
> Die Modellierung biologischer Vorgänge […]
> Auf der Grundlage eines mathematischen Modells der heutigen Serengeti […]
> In rund hundert Modellvarianten mit unterschiedlichen Parametern untersuchten […] Bio-Informatiker Kevin Healy am Trinity College in Dublin [… und] Dr. Adam Kane, einem Kollegen […]
> […] dass diese Simulationsmethode für paläontologische Fragestellungen immer mehr in Mode kommen wird
Gemessen daran, wie oft das Wort “Modell” im obigen SciLogs-Beitrag vorkommt, erscheint es (mir) bemerkenswert, dass das Wort
“Theorie” oder das Wort “Hypothese” darin nicht ein einziges Mal auftritt.
Sind die Hervorbringungen Healys und Kanes etwa gar nicht “wissenschaftlicher Art” ?? …
Sind sie doch!,
Denn: Gegenstand von wissenschaftlichen Hypothesen (betreffend
die eventuelle Übereinstimmung mit Messwerten) sind ja gerade konkrete, nachvollziehbare, falsifizierbare Modelle;
konkret: Werte bzw. Werte-Verteilungen von “Parameter“-Größen, innerhalb der Wertebereiche der entsprechenden Messgrößen.
Und: eine bestimmte Theorie muss in jedem Falls jeweils zugrundegelegt werden (und auch bei Falsifizierung des einen oder anderen Modells nachvollziehbar bleiben),
um nämlich die betreffenden Mess- bzw. “Parameter“-Größen einschl. ihrer Wertebereiche überhaupt zu definieren
und (insbesondere im Zusammenhang) zu simulieren.
Mir scheint, das hier modellierte Fressverhalten von Dinosauriern, kann man formal mit Klimasimulationen vergleichen. Klimasimulationen behaupten mit den von ihnen berücksichtigten Parametern das zukünftige Klima simulieren zu können. Kevin Healy’s Simulationen machen das Gleiche für das Fressverhaltens von Dinosauriern.
Natürlich sind solche Simulationen Hypothesen. Neue Befunde können sie falsifizieren. Beim Klima kann das reale Klima in 50 Jahren diese Verifzierung vornehmen, bei den Dinosaurieren können es fossile Funde sein, die Hinweise auf das “wirkliche” Fressverhalten der Dinos geben.
Natürlich sind sowohl Klimasimulationen als auch Dino-Fressverhalten-Simulationen Theorien zugrunde gelegt. im weiteren Sinne ist sogar das Dino-Fressverhalten in der Physik begründet – wie das Klima ja auch.
Martin Holzherr schrieb (12. Januar 2017 @ 10:45):
> Natürlich sind sowohl Klimasimulationen als auch Dino-Fressverhalten-Simulationen Theorien zugrunde gelegt.
Soweit scheinen wir ja übereinzustimmen.
(Abzuwarten bleibt, ob das auch auf konkretere Beschreibungen zutrifft, in welcher Hinsicht denn überhaupt eine oder mehrerer Theorien einer Computer-Simulation zugrundeliegen können.)
> […] Hypothesen. Neue Befunde können sie falsifizieren.
Ja: relevante (experimentelle, fossile, “wirkliche“, “tatsächlich Beobachtungs-basierte”) Befunde können Hypothesen falsifizieren. (Oder meinetwegen auch gern bestätigen, falls die betreffende Hypothese hinreichend “scharf” formuliert war.)
Aber:
Stimmen wir auch darin überein, dass solchen Befunden ebenfalls bestimmte Theorien zugrundeliegen,
und zwar insbesondere auch genau solche, die auch zu den Grundlagen der o.g. Simulationen gehören
?
> Klimasimulationen behaupten mit den von ihnen berücksichtigten Parametern das zukünftige Klima simulieren zu können.
Hmm …
Ich finde es wichtig (und das Zitat scheint dem jedenfalls nicht zu widersprechen), dass das Computer-Programm an sich (einschl. eventueller “Parameter-Konstanten”) von den “Parameter-Variablen” zu unterscheiden ist, die sowohl als “Ergebnis/Output” jedes einzelnen Simulations-Runs, und ebenso als “wählbare Settings/Input” jedes einzelnen Simulations-Runs (bzw. ggf. auch gleichbleibend für gewisse Serien von Einzel-Runs) auftreten können.
Die Formulierung, die ich für vertretbar halte, ist daher:
“Von manchen Klimasimulationsprogrammen, zusammen mit einer bestimmten Wahl von Input-Parameter-Wert-(Verteilung-)en, mag behauptet bzw. erwartet werden, dass die dadurch errechneten Ergebnis-Parameter-Werte(-Verteilung) den entsprechenden zukünftig zu ermittelnden Klima-Messwert-(Verteilung-)en gleicht.”
(Wobei naheliegt, dass die genannte “bestimmte Wahl des Inputs” auch auf bestimmte Weise mit Klima-Messwerten zu tun hat, die schon vorliegen.)
> Kevin Healy’s Simulationen machen das Gleiche für das Fressverhaltens von Dinosauriern.
Sicherlich können die Simulationsprogramme von Healy/Kane nicht nur (mit gewisser Näherung) Ergebnisse erzeugen, die dem ähneln, wie sich Dinosaurier wirklich verhielten;
oder die (zumindest bzw. auch) dem ähneln, was wir gegenwärtig hinsichtlich des wirklichen Fressverhaltens von Dinosauriern vermuten (können);
sondern auch dem gänzlich Unähnliches
(z.B. vielleicht, dass Simusaurier, deren im obigen Beitrag genannte “Wahrnehmungsschwelle” auf 0.2 m gesetzt ist, innerhalb zweier Simulations-Generationen aussterben).
p.s.
Im gerade verfassten Kommentar trat das Wort “Modell” zur Abwechslung gerade mal gar nicht auf …