UBT Spektrum Heft 2/1999
Ökologische Modellbildung am BITÖK
Wissenschaftliche Computerspiele oder theoretische Alchemie?

von Michael Hauhs
Vor acht Jahren wurde das Bayreuther Institut für Terrestrische Ökosystemforschung (BITÖK) zur Bearbeitung aktueller Umweltprobleme gegründet. Anlaß waren die Waldschäden im Fichtelgebirge und die Sorge um eine Versauerung des Grundwassers unter der Einwirkung des "sauren Regens". Als eines der damals vom BMBF eingerichteten zentralen Forschungszentren sollten einerseits die Grundlagenforschung zu Waldökosystemen nachgeholt und andererseits Lösungsvorschläge für die aktuellen Probleme der Forst- und Wasserwirtschaft erarbeitet werden. Eine Besonderheit des BITÖK war die erstmalige (und bisher in Deutschland einmalige) Einrichtung eines Lehrstuhls für ökologische Modellbildung. Modelle gelten als ein erfolgversprechendes Werkzeug, die Ergebnisse wissenschaftlicher Analysen komplexer Ökosysteme für Bewertungs- und Entscheidungsprobleme der Nutzungspraxis fruchtbar zu machen.

Die seitdem und weiterhin rasant steigenden Rechnerkapazitäten und die Leistungsfähigkeit moderner Software haben inzwischen Simulationsmodelle in fast jedem Forschungszweig zum täglichen Handwerkszeug werden lassen. Damit knüpfte diese Informationstechnologie neue methodische Brücken zwischen den Disziplinen. Diese Kontakte zwischen Geistes-, Kultur-, Wirtschafts- und Naturwissenschaften ergaben sich in Bayreuth müheloser als anderswo und verstärken den interdisziplinären Charakter der BITÖK.

Das heterogene Feld der Modelbildung, das durch das neue technische Potential nur vage definiert war, erhielt an der Universität Bayreuth und insbesondere am BITÖK die Möglichkeit zur Bildung einer eigenständigen, wissenschaftlichen Heimat. Der Name Ökologische Modellbildung stand anfangs für ein ungelöstes Problem der Umweltforschung und nicht für ein langgehegtes Berufsziel der Beteiligten; entsprechend vielseitig ist der fachliche Hintergrund der Mitarbeiter, die sich aus der Mathematik, Informatik, Physik, Geoökologie und Forstwirtschaft rekrutieren.

Nach sieben Jahren steht diese Gruppe vor einem ersten Generationswechsel, da die erste Habilitation und einige wichtige Dissertationen abgeschlossen werden. In den nächsten Jahren steht die Übernahme des BITÖK durch den Freistaat an, verbunden mit der vollen Integration in die Lehre an de UBT. Dieser Zeitpunkt scheint uns daher eine passende Gelegenheit zu bieten, im Rückblick und in der Standortbestimmung die Visionen für die Zukunft der Ökologischen Modellbildung zu diskutieren und zu aktualisieren.


Prof. Dr. Michael Hauhs
Lehrstuhl für Ökologische Modellbildung, BITÖK, Universität Bayreuth

Was ist Ökologische Modellbildung?

Die Arbeit des Lehrstuhls kann durch drei Aspekte charakterisiert werden:
  • Der praktische Hintergrund in der Umweltforschung
  • Der technische Fortschritt der Informationstechnologie
  • Das wissenschaftliche Interesse an komplexen Systemen
Jeder einzelne dieser Punkte ließe sich leicht mit einem Fragezeichen versehen. War das "Waldsterben" wirklich das grosse Problem, für das es ausgegeben wurde? Wie kann bessere Rechnerkapazität für den Bereich des Ökosystem-Managements nutzbar gemacht werden? Inwiefern sind Ökosysteme komplex? Ökologische Modellbildung steht für den Ansatz, dass diese drei Fragen nicht einzeln durch Fachdisziplinen gelöst werden, sondern nur im Zusammenhang angemessen bearbeitet werden können. Drei Lösungsversuche sollen hier kurz skizziert werden, die dabei auch für Wege der letzten Jahre stehen. 		 

Erfordern komplexe Ökosysteme komplexe Modelle? Einfache Modelle sind erfolgreicher Die Zähmung der Monster-Modelle

Ausblick

Zu Ökosystemen führen sehr verschiedene Zugänge. Die menschliche Nutzungsgeschichte ist sehr viel länger als die naturwissenschaftlichen Analyse- und Rekonstruktionsversuche. Zuerst wurden ökologische Modelle als ein Mittel betrachtet, den Erfolg des traditonellen, analytischen Zuganges auch für Ökosysteme zu demonstrieren und für deren Management zugänglich zu machen. Die anhaltende Stagnation in diesem Vorgehen hat zur Suche nach aussichtsreicheren Ansätzen geführt. Die aus unserer Sicht entscheidende Neuigkeit besteht darin, dass die sehr unterschiedlichen Arten von Wissen und Kompetenzen in den Modellen integriert, dokumentiert und kommuniziert werden können, aber eben nicht de novo erzeugt werden.

Damit steht das Leitbild und Selbstverständnis der Ökologischen Modellbildung vor einer vollständigen Wandlung. Praxiswissen und Prozessforschung stellen nun gleichberechtigte Zugänge zu Ökosystemen dar, in der nicht mehr das Letztere das Erstere langfristig ersetzen und überflüssig machen wird. Mit der heutigen Rechnertechnologie lassen sich im Ökosystem sehr langsam ablaufende Vorgänge, wie das Waldwachstum, die weit ausserhalb der alltäglichen Erfahrungs- und Erlebniswelt liegen, für die Dokumentation, die Kommunikation und das Training von Nutzungskompetenzen zugänglich machen. Der Computer kann in übertragenem Sinne für die zeitliche Organisation der menschliche Nutzung von Ökosystemen eine analoge Erweiterung seiner Sinne darstellen, wie es Fernrohr oder Mikroskop bei der Erforschung des Raumes waren.

Eine besonders "blasphemische" aber auch instruktive Spekulation bietet ein Vergleich mit der Geschichte der Alchemie. Die unterschiedlichen Systeme unseres Universums sind offenbar hierarchisch aufgebaut: Ein Ökosystem besteht aus Organismen, die bestehen aus Zellen, die bestehen aus Makromolekülen, die bestehen aus Atomen, etc.... Am Anfang der Erforschung stofflicher Umwandlungen hatte der Mensch eine völlig unzureichende Vorstellung über die entsprechenden Basissysteme entlang dieser Hierarchie. Solange Wissenschaftler und Ingenieure nicht den Unterschied kannten zwischen z.B. Elementarteilchen, chemischen Elementen oder Zellen durften sie davon träumen, alle Stoffe ineinander umwandeln zu können. Berühmt geworden sind die vielen Versuche, irgendetwas anderes in Gold zu verwandeln. Sie wurden erst obsolet als nahezu gleichzeitig in der Wissenschaft der Begriff des chemischen Elementes aufkam und in der Wirtschaft das Wissen darum, wie man alles in Geld umwandeln kann. Inzwischen kann man zwar kerntechnisch sogar Gold herstellen; dass es nicht getan wird, liegt daran, dass man das Verfahren bislang nicht in Geld verwandeln kann. Solange theoretisch alles als machbar erschien, gelang praktisch sehr wenig. Eine dem Problem angemessene Begrifflichkeit eröffnete dagegen einen technischen Fortschritt bei der Umwandlung und Erzeugung von Werkstoffen, der derzeit mit den Materialwissenschaften die jüngste Erweiterung der Universität Bayreuth markiert.

Die kurze Geschichte der Ökosystemmodellierung läßt sich als ein analoger Prozess karikieren, bei dem man zuerst dachte, alle Arten von Wissen über Ökosysteme ineinander umwandeln zu können. Zum Teil immer noch aktiv sind die Versuche, aus irgendeiner Form von Prozessverständnis neue goldene Regeln für den Praktiker und Vorhersagen für das Ökosystemmanagement abzuleiten. Es ist zu befürchten, dass diese Versuche langfristig die Geschichte der Goldsynthese teilen werden: Im Prinzip geht es letztlich dann doch, aber nicht so, wie man dachte und ohne jede praktische Relevanz.

Informationsverarbeitende Systeme scheinen im Hinblick auf ihre Geschichte ebenfalls in eine Hierarchie eingebunden zu sein: Menschliche Zivilisationen entstanden und emanzipierten sich im Laufe der Kulturgeschichte aus biologischen Systemen, diese wiederum entstanden und emanzipierten sich im Laufe der Naturgeschichte aus abiotischen, chemischen Reaktionen, diese wiederum entstanden aus... etc.. Vielleicht müssen wir bei der Umwandlung von Informationen über geschichtsgebundene Ökosysteme in ähnlicher Weise Hierarchiesprünge beachten, wie im Falle der stofflichen Umwandlungen.

Wie im Fall der Chemie würde Ökologische Modellbildung auch erst dann zu praktischer Relevanz gelangen können, wenn sie zu angemessenen Begriffen von ihrem Gegenstand verbunden mit einem Blick auf ihre Grenzen findet, um dann das vorhandene technische Potential innerhalb dieser Grenzen entfalten zu können. Bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Wir hoffen, dass Modellierer dann nicht mehr stets im zweiten Satz gefragt werden,

was sie denn eigentlich wissenschaftlich machen.