Komplexes System

Grundidee komplexer Systeme

Komplexe Systeme sind nach außen offene, hochgradig geordnete und organisierte, zugleich heterogene Ganzheiten aus funktionalen Strukturen. Ihre Vernetzungen sind unüberschaubar und veränderlich (Kontingenz). Die zahlreichen Wechselwirkungen führen zu nichtlinearen Entwicklungen, also zu Verläufen, die nicht gleichmäßig oder geradlinig sind. Der ständige Um- und Ausbau erfolgt evolutionär und oft in immer kürzerer Zeit (Dynamik).

Die Wechselwirkungen sind aufeinander bezogen und bilden dadurch Kohärenz. Das System entwickelt häufig mehr Ordnung und Komplexität, ist aber zugleich der Gefahr von Unordnung und Desorganisation ausgesetzt. Diese Entropie wird durch Kontroll- und Schutzfunktionen begrenzt, die vor allem auf Rückkopplungen zwischen Prozessen beruhen (Prozessualität). Mit zunehmender Komplexität wachsen die Reaktionsmöglichkeiten, die Wahrscheinlichkeit neuer Systemeigenschaften (Emergenz) und die Selbstständigkeit des Systems. Lebende Systeme schaffen, erhalten und organisieren sich selbst; dies wird als Autopoiesis bezeichnet.

Eine allgemeingültige Definition komplexer Systeme gibt es nicht. Die Theorie komplexer Systeme ist heute ein wesentlicher Teil der Systemtheorie und findet sich in vielen Wissenschaftsgebieten, etwa bei Klimasystemen, Lebewesen, Ökosystemen, Gehirnen, Quantensystemen, menschlichen Gesellschaften, Wirtschaftssystemen, Finanzmärkten, multinationalen Konzernen, Infrastrukturnetzen und dem Internet.

Ordnung, Entropie und Emergenz

Struktur, Ordnung und Organisation sind grundlegende Eigenschaften von Systemen und können verwendet werden, um Grade der Komplexität zu vergleichen. Je komplexer Ordnung und Organisation sind, desto tiefer reichen die inneren Regeln, desto effizienter wird die Informationsübermittlung und desto stärker treten Prozesse gegenüber festen Strukturen hervor. Gleichzeitig sinkt die Vorhersagbarkeit. Die komplexesten Systeme existieren gewissermaßen „am Rande des Chaos“: Sie sind anfällig und labil, können aber auch eigenständige Entitäten mit unverwechselbarer Identität bilden. Wegen ihres Umfangs, ihrer Veränderlichkeit und Unvorhersehbarkeit lassen sie sich nicht vollständig sprachlich beschreiben. Eine isolierte Betrachtung einzelner Teile reicht daher nicht aus; erforderlich ist vor allem ganzheitliches Denken.

Dauerhafte Ordnung benötigt Energie. Komplexe Systeme können deshalb nur bestehen, wenn ihre Komponenten offene Systeme sind und ständig Stoff und Energie mit der Umgebung austauschen. Andernfalls nimmt nach dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik die Entropie stetig zu, bis die Wechselwirkungen im thermodynamischen Gleichgewicht zum Erliegen kommen. Komplexe Systeme weisen besonders umfangreiche energetische, materielle und informationelle Wechselwirkungen auf und müssen deshalb sehr schnell auf Veränderungen reagieren können.

Ihre Entwicklung kann unerwartete Sprünge und Pausen enthalten. Kleine Störungen oder minimale Unterschiede in den Anfangsbedingungen können zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen. Dieser Zusammenhang wird unter anderem mit dem Schmetterlingseffekt und Phasenübergängen verbunden.

Emergenz bezeichnet das Entstehen gänzlich neuer Systemeigenschaften. Emergente Eigenschaften sind nicht vollständig unabhängig von den darunterliegenden Ebenen, lassen sich aber auch nicht aus der isolierten Untersuchung einzelner Komponenten erklären. Emergenz liegt vor, wenn sich das Gesamtverhalten trotz vollständiger Informationen über Einzelkomponenten und deren Wechselwirkungen nicht eindeutig beschreiben lässt.

Heterogenität und evolutionäre Entwicklung

Komplexe physische Systeme entwickeln sich häufig von homogenen, also gleichartigen, zu heterogenen Strukturen. Heterogen bedeutet, dass ein System aus ungleichen Elementen aufgebaut und ungewöhnlich organisiert sowie veränderlich ist. Die Differenzierung reicht von Gruppen ähnlicher Subsysteme bis zur „radikalen Vielfalt“. Dabei können Einzelteile dieselbe Funktion erfüllen, obwohl sie selbst sehr unterschiedlich sind, etwa Destruenten in einem Ökosystem oder Personen in einer Gesellschaft.

Diese Vielfalt setzt Kontingenz voraus. Damit ist eine Art Freiheit gemeint, bei mehreren ähnlichen Reaktionsmöglichkeiten ohne zwingende Notwendigkeit eine auszuwählen. Der Artikel erwähnt hierzu auch den Panpsychismus, dessen Vertreter diese Freiheit als Hinweis auf ein geistiges Prinzip der Materie deuten.

Über lange Zeiträume führt die Entwicklung komplexer Systeme von quantitativem zu qualitativem Wachstum: Strukturen werden verfeinert, und Subsysteme entwickeln neue Funktionen und Möglichkeiten. Die Vorgänge sind nicht vorhersehbar, nicht umkehrbar und nicht wiederholbar, weisen aber insgesamt eine Richtung auf; deshalb wird von Evolution gesprochen.

Komplexe Systeme sind pfadabhängig. Ihr Verhalten hängt nicht nur vom aktuellen Zustand, sondern auch von ihrer Vorgeschichte ab. Zugleich können sie bestimmte zukünftige Zustände, sogenannte Attraktoren, selbstständig anstreben, ohne steuernde Eingriffe von außen. Auch chaotische Zustandsfolgen können eine vorhandene, wenn auch nicht erkennbare Ordnung besitzen; in der Chaosforschung heißen solche Ziele „seltsame Attraktoren“.

Rückkopplungen zwischen Ursachen und Wirkungen formen gemeinsam mit Pfaden und Attraktoren eine kohärente Entwicklung. Veränderungen in Subsystemen werden mit der Gesamtentwicklung abgestimmt und können dadurch dem Ganzen dienen. Wegen dieser Vernetzung kann die isolierte Betrachtung einzelner Untersysteme zu Fehlschlüssen führen. Als besonders umfassend vernetztes natürliches System wird die Biosphäre genannt.

Dynamik, Stabilität und Selbstorganisation

Mit wachsender Komplexität nehmen schnelle und teilweise unvorhersagbare Neuordnungen zu. „Chaotische Ordnungsprozesse“ erzeugen dabei nicht unbedingt Unordnung, sondern Zustandsänderungen innerhalb der Gesetzmäßigkeiten des Systems. Häufen sich solche Zustände, kann eine chaotische Dynamik entstehen: Das System nimmt entweder völlig neue Zustände an oder bricht zusammen. Als aktuelles Beispiel nennt der Artikel das Klimasystem der Erde beim anthropogenen Treibhauseffekt.

Rückkopplungen wirken oft mit zeitlicher Verzögerung. Dadurch können Schwingungsdynamiken entstehen, also Wechsel zwischen zwei Extremzuständen. Die Dynamik ist zugleich Ursache und Folge der intensiven Vernetzungen. Das Gehirn ist ein besonders dynamisches System: Seine neuronalen Aktivitätsmuster und damit seine Komplexität verändern sich je nach Bewusstseinszustand und sind im Tiefschlaf am geringsten.

Komplexe Systeme begrenzen ihre Empfindlichkeit, indem sie relativ abgegrenzte Subsysteme bilden. Störungen bleiben dadurch häufig auf ein Subsystem beschränkt. Stabilität und Dynamik sind notwendige Gegenpole: Stabilität schützt vor Störungen, während Dynamik Wachstum und Anpassung ermöglicht. Ohne eines von beiden würde das System langfristig zusammenbrechen.

Rückkopplungsschleifen und die Reaktionen auf Umwelteinflüsse bilden die Selbstregulation. Sie kann das innere Gleichgewicht verstärken und stabile Strukturen hervorbringen (Selbststabilisierung oder Homöostase). Komplexe Systeme erhalten ihre Kohärenz am besten in einem dynamischen Zustand zwischen Ordnung und Chaos. Durch dauerhaft veränderte Rahmenbedingungen kann Selbstorganisation entstehen: Elemente und Subsysteme schaffen eigene Verknüpfungen, verbessern dadurch die Selbstregulation oder ersetzen bestehende Regelkreise.

Offene Systeme können so in Bezug auf ihre Prozesse zunehmend „operational geschlossen“ und selbstreferenziell werden, bleiben im Austausch von Energie und Materie aber offen. Die höchste Stufe der Selbstorganisation heißt Autopoiesis. Autopoietische Systeme organisieren nicht nur ihre Regelkreise und Verknüpfungen selbst, sondern produzieren und reproduzieren auch die Elemente, aus denen ihre Strukturen bestehen. Beispiele unbelebter Selbstorganisation sind die Rayleigh-Bénard-Konvektion mit stabilen Konvektionszellen und die Belousov-Zhabotinsky-Reaktion mit stabilen Mustern oder regelmäßigen Farbwechseln.

Beispiele und Forschungslandschaft

Das menschliche Gehirn ist ein komplexes System, weil es aus vielfach verknüpften Neuronen und weiteren Begleitzellen besteht. Bewusstsein wird im Artikel möglicherweise als emergentes Phänomen des Gehirns bezeichnet. Dabei wird zwischen Bewusstsein als ontologischem Medium und Bewusstseinsinhalten als Informationen unterschieden.

Das Erdklima ist ein weiteres anschauliches Beispiel. Es wird durch sehr viele Agenten und lokale Wechselwirkungen mit globalen Auswirkungen geprägt. Für die Erforschung der Grundlagen und die Modellierung dieses Systems wurde 2021 der Nobelpreis für Physik verliehen; ein Nobelpreis für Physik für die Erforschung komplexer Systeme war dabei ein Novum. Wegen des anthropogenen Klimawandels gilt das Erdklima als das am besten untersuchte komplexe natürliche System.

Auch die Wikipedia-Community kann zusammen mit ihren Autoren als biotechnisches komplexes System betrachtet werden. Genannt werden Heterogenität, Stabilität, diskontinuierliche Dynamik mit ständigem Aus-, Ab- und Umbau, kontingente Entwicklung, nichtlineares Wachstum, zunehmende Kontrollmechanismen, Selbstorganisation und Selbstregulation sowie Wechselwirkungen zwischen Artikeln, Autoren und Hyperlinks.

Wichtige Forschungseinrichtungen sind unter anderem das New England Complex Systems Institute in Cambridge (Massachusetts), das Institute for Scientific Interchange in Turin, das Santa Fe Institute in New Mexico und das Center for the Study of Complex Systems an der University of Michigan. In Deutschland nennt der Artikel unter anderem das Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden, das Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg und das Institut für Dynamik komplexer Systeme in Göttingen. In Österreich werden das Internationale Institut für angewandte Systemanalyse und der Complexity Science Hub Vienna aufgeführt.