"Wir sind ein Netzwerk von Netzwerken"

Der Physiker und Komplexitätsforscher Geoff West hat mathematisch nachgewiesen, dass alle Organismen nach denselben Gesetzen wachsen und sterben – von der Bakterie bis zur Mega-City.

Prof. West, Sie behaupten, dass alle Organismen – vom Bakterium bis zum Blauwal – nach erstaunlich ähnlichen Regeln wachsen.

So verrückt es klingt: Alle Organismen gehorchen denselben Skalierungsgesetzen – das gilt auch für vom Menschen geschaffene Systeme wie Städte oder Unternehmen. Am Anfang wachsen sie schnell, dann hört das Wachstum auf und am Ende sterben sie. Das Universum dreht sich stets um den Energiehaushalt. Egal ob Bakterien oder Unternehmen: ohne die konstante Zufuhr und Umwandlung von Energie gibt es kein Leben. Setzt man in einer grafischen Darstellung den Stoffwechsel mit der Größe eines Organismus in Beziehung, sieht man, dass diese völlig unterschiedlichen Lebewesen – vom Einzeller bis zum Menschen – gemäß dem Potenzgesetz fein säuberlich entlang einer Achse angeordnet sind.

Wie lässt sich das erklären?

Lineares Wachstum hieße, dass sich der Energiebedarf eines Organismus verdoppelt, wenn sich seine Größe – also die Anzahl der Zellen usw. – verdoppelt. In Wirklichkeit kommt jede Verdopplung aber mit 25 Prozent weniger Energie aus, unabhängig davon, ob man 2 Gramm oder 2 Kilogramm verdoppelt. Es gibt einen Mechanismus, der es der Natur erlaubt, mit wachsender Größe effizienter zu werden. Das Erstaunliche ist, dass jede messbare physiologische Variable ein systematisches Skalierungsverhalten aufweist. Die Begründung lautet Vernetzung. Egal ob ich mir Pflanzen, einen Elefanten oder einen Menschen ansehe, alle Organismen bestehen aus Netzwerken. Der Mensch ist nichts anderes als ein kompliziertes Netzwerk von Netzwerken. Auch in unserem Körper bestimmen Netzwerke, wohin Blut, Sauerstoff, Nährstoffe oder Hormone fließen, wo Impulse weitergeleitet werden. Und diese Netzwerke arbeiten nicht willkürlich. Die Evolution hat sie derart optimiert, dass sie bis zu dem Moment wachsen, an dem der Energieverbrauch zur Lebenserhaltung eingeschränkt werden kann. Ab dann kann die maximale Energie darauf verwendet werden, die Nachkommenschaft zu sichern.

Sobald das Netzwerk seinen optimalen Schwellenwert erreicht hat, hört jedes System auf zu wachsen.
Geoffrey West, Physiker und Komplexitätsforscher am Santa Fe Institute New Mexico

Woher stammt diese vorprogrammierte Wachstumsbremse?

Ein Netzwerk soll den Organismus optimal mit Energie versorgen, um den Stoffwechsel zu minimieren. Der Mensch kommt zum Beispiel mit 2.000 Kalorien am Tag aus. Sobald das Netzwerk seinen optimalen Schwellenwert erreicht hat, hört jedes System auf zu wachsen und schaltet in den Betriebsmodus. Das ist der Grund, warum kein Mensch zwei Meter lange Arme bekommt oder ein Baumstamm nicht 1.000 Meter Höhe erreichen kann. Die zweite Besonderheit eines Netzwerks: Es muss jeden Winkel, jede Zelle erreichen können. Das gilt auch für eine Stadt: Wenn sie funktionieren und überleben soll, muss das Netzwerk bis zu jedem Gebäude reichen. Genauso muss ein Unternehmen in der Lage sein, jeden Kunden mit seinen Waren oder Dienstleistungen zu versorgen. Hat man das verstanden, lassen sich mit dieser Formel viele andere Charakteristika eines Systems vorhersagen.

Ist es nicht eine arge Vereinfachung, Bäume, Tiere und Menschen über einen Kamm zu scheren?

Die Daten, die wir gesammelt haben, belegen, dass es sich um universell gültige Gleichungen handelt. Wenn man sich Stoffwechsel und Netzwerke ansieht, dann ist eine Maus eine Miniatur-Ausgabe eines Elefanten. Selbst wenn ich ein Lebewesen noch nie gesehen habe, kann ich anhand seines Typs und seiner Größe mit 80 bis 90 Prozent Wahrscheinlichkeit vorhersagen, welches Alter es erreichen wird, wie viel Nachwuchs es bekommen wird, wie oft sein Herz über den gesamten Verlauf seines Lebens schlagen wird, wie lang die Aorta ist, oder wie viele Stunden Schlaf es braucht. Zum ersten Mal haben wir jetzt eine Formel, um das Wachstum aller Organismen zu beschreiben. Ganz wichtig dabei: Das Wachstum in der Natur ist sublinear, entspricht nicht der Geraden einer linearen Funktion, sondern verläuft leicht darunter. Für die Vergrößerung eines Organismus um das Doppelte benötigt man nicht die doppelte Energiezufuhr pro Zelle oder Gewebemasse. Es sind 75 Prozent ausreichend. Die übrigen 25 Prozent Einsparung sind der Effizienzgewinn der Natur.

Siehe da: Die Formeln funktionierten fürs urbane Leben ebenso wunderbar wie für Lebewesen.

Wie kommt man auf die Idee, die Skalierungsgesetze der Biologie auf eine moderne Großstadt oder eine Firma anzuwenden?

Städte oder Unternehmen sind auch nur sozio-ökonomische Netzwerke. Wir wollten unsere Theorie testen und haben uns gefragt, ob sich bestimmte Koordinaten wie zum Beispiel die Zahl der Tankstellen abhängig von der Größe einer Stadt vorhersagen lassen. Und siehe da: Die Formeln funktionierten fürs urbane Leben ebenso wunderbar wie für Lebewesen. Für eine Stadt in doppelter Größe braucht man nicht doppelt so viel Infrastruktur, um sie am Laufen zu halten. Auch hier zeigt sich wieder sublineares Wachstum, allerdings nicht 25 Prozent wie bei biologischen Organismen, sondern nur 15 Prozent weniger. Wenn ich also eine Stadt verdopple, komme ich statt mit 100 mit nur 85 neuen Tankstellen aus. Das gilt für alle Städte auf der Welt und für alle Arten von Infrastruktur: Straßen, Gas- und Stromleitungen, Polizeiwachen. Allerdings konnte ich mir anfangs einige Ergebnisse nur als Rechenfehler erklären: Sobald es um sozio-ökonomische Größen wie Patente pro Einwohner, Kommunikation per Mobiltelefon, Verbrechensstatistiken oder Krankheitsfälle ging, passierte genau das Gegenteil: Das Wachstum lag plötzlich um 15 Prozent über der Geraden, war also auf einmal superlinear.

Also stimmt Ihre Theorie am Ende doch nicht?

Doch! Ich hatte nicht einberechnet, dass die Wachstumsgesetzte eines sozio-ökonomischen Systems anderen Regelmäßigkeiten unterliegen. Wenn man sich die Netzwerke ansieht, die Städte und Unternehmen erfolgreich wachsen lassen, dann sind sie von anderen Skalierungsgesetzen bestimmt als ihre biologischen Vorbilder, weil sie aus Menschen und nicht aus Zellen bestehen. Gesellschaftliche Netzwerke potenzieren einander – mit je mehr Menschen ich in Kontakt stehe, desto mehr Ideen kommen dabei heraus. Das ist der Schlüssel zum durchschlagenden Erfolg der Urbanisierung. Das lässt sich am Einkommen, Vermögen, an der Konzentration von Kreativen, der Zahl der Restaurants usw. ablesen. Und genauso an der Kriminalität oder den AIDS-Fällen. Das lässt sich bei allen Städten in Nord- und Südamerika, Europa oder Asien feststellen. Wenn sich eine Stadt in der Größe verdoppelt, sie also um 100 Prozent wächst, kommt sie wegen des Netzwerk-„Bonus“ mit nur 85 Prozent neuer Infrastruktur aus, erhält aber 115 Prozent der guten und schlechten sozialen Implikationen quasi als Zusatz obendrauf.

Eine Millionenstadt ist genau genommen nichts anderes als eine hochskalierte Version einer Kleinstadt – nur viel effizienter.

Wenn man Ihr Modell logisch zu Ende denkt, dann ist die fortschreitende Urbanisierung also etwas Gutes für den Planeten. Seit 2015 leben mehr als die Hälfte der Menschheit in Städten, bis 2050 sollen es gar Dreiviertel sein. Grund zur Sorge?

Je mehr Menschen in eine Großstadt ziehen, desto mehr sparen wir an Infrastruktur und Energie. Deswegen ist New York die umweltfreundlichste Stadt der USA. Eine Millionenstadt ist genau genommen nichts anderes als eine hochskalierte Version einer Kleinstadt – nur viel effizienter. So wie ein Elefant trotz seiner enormen Größe effizienter mit Energie umgeht als eine Maus. In dieser unglaubliche Maschinerie, die wir „Stadt“ nennen, können wir Menschen viel leichter das tun, was wir am besten können: Ideen, Wohlstand und Innovationen produzieren.

Wieso sterben Großstädte nicht nach einer bestimmten Zeitspanne wie biologische Organismen?

Weil sie statt eines biologischen einen sozialen Stoffwechsel haben. Entgegen der landläufigen Annahme sind nur ganz wenige Städte in der Menschheitsgeschichte wirklich gestorben – meist lag das an ökologischen Problemen ihres Standorts. Viele Städte machen schwere Zeiten mit, viele stagnieren auch im Wachstum, aber alle kommen zurück. Allerdings kann auch die erfolgreichste Stadt auf Dauer einem Grundsatz der Physik nicht entkommen: Unendliches Wachstum gibt es nicht. Ein superlinear wachsendes Netzwerk erreicht irgendwann seine Grenze. Es wird entweder stagnieren oder zusammenbrechen und absterben. Das kann in fünf, 10 oder 100 Jahren sein, aber das ist unausweichlich.

Unendliches Wachstum gibt es nicht.

Diese Rechnung hat schon Thomas Malthus Ende des 18. Jahrhunderts aufgemacht …

Stimmt. Ich habe sie nur auf den neuesten Stand gebracht. Ist das Ressourcenlimit erreicht, bricht das System zusammen. Menschen haben diesen Kollaps immer wieder umgehen können, indem sie sich selbst neu erfunden haben. Um einen Paradigmenwechsel herbeizuführen, benötigt man eine bedeutende Neuerung. Dann beginnt eine neue Zeitrechnung. Das war etwa die Entdeckung des Eisens, später der Umstieg auf Kohle, in der Moderne die Erfindung des Computers. Heute dominiert die Internet-Wirtschaft fast jeden Aspekt unseres Lebens. Wenn wir der Theorie des grenzenlosen Wachstums folgen, muss es als logische Konsequenz zu einer kontinuierlichen Reihe von Innovationen kommen, die sich in immer kürzeren Abständen ablösen.

Das würde erklären, wieso sich das Rad des Fortschritts immer schneller dreht?

Ja. Früher hatte die Menschheit 100 Jahre Zeit für einen solchen Paradigmenwechsel. Im IT-Zeitalter sind es plötzlich nur noch 25 Jahre oder weniger. Wir müssen in den nächsten 20 Jahren einen Umbruch initiieren, der ebenso gravierende Folgen hat wie die gerade stattfindende IT-Revolution. Der nächste Sprung muss danach noch schneller passieren. Man kann diese Logik ad absurdum führen, doch eine Revolution alle sechs Monate ist kaum möglich. Wir müssen uns also irgendwie aus der Tretmühle des superlinearen Wachstums befreien.

Die Tech-Elite, insbesondere aus dem Silicon Valley, ist anderer Meinung. Danach erfinden wir immer rechtzeitig etwas Neues, um uns ins nächste goldene Zeitalter zu retten.

Wir können uns nicht mit Innovationen wie autonomen Fahrzeuge oder Big Data retten, denn dafür bezahlen wir mit immer höherem Tempo und kürzeren Zyklen. Neuerdings treibt mich ein ganz anderer Gedanke um: Eine Lösung könnte sein, zurückzugehen zur Wurzel des ganzen, zum sozialen Netzwerk. Das unglaubliche Wachstum entspringt der Art, wie wir miteinander umgehen. Ein Paradigmenwechsel könnte also auch ein tiefer kultureller Wandel sein, weg vom ständigen Verlangen nach mehr und weg von der Forderung nach vierteljährlich besseren Resultaten.

Mit seinem 2017 erschienenen Buch „Scale“ versucht der Physiker Geoffrey West (76) auf fast 500 Seiten ein universelles Gesetz zum Wachstum komplexer Organismen zu formulieren. Der gebürtige Brite arbeitete an der Universität Stanford und wechselte dann zum interdisziplinären Santa Fe Institute in New Mexico, der Geburtsstätte der Komplexitätsforschung. West forschte außerdem lange Jahre am Atomlabor von Los Alamos.

Die Frage nach dem „Sinn des Lebens“ treibt den Naturwissenschaftler seit seiner Kindheit an. „In meiner Familie werden Männer nicht alt. Das macht einen nachdenklich, wenn man die 50 überschreitet“, so der Akademiker. Zudem betrachtet er Biologie als neue Grundlagendisziplin des 21. Jahrhunderts, die die Physik ablösen werde. „Doch sie wird als Wissenschaft erst dann dominieren, wenn sie quantitativer, mathematischer, berechenbarer und damit vorhersagbarer wird.“

In der Stadtplanung bringt das universelle Skalengesetz von Geoffrey West faszinierende Erkenntnisse zum Städtewachstum und zur urbanen Mobilität.

Der Physiker hat in Zusammenarbeit mit Kollegen am Santa Fe Institute und an der ETH Zürich das Städtewachstum weltweit analysiert und herausgefunden, dass Großstädte weniger Infrastruktur pro Kopf benötigen als kleinere Städte.

„Mit der Größe der Städte verändert sich auch die Größe der Verkehrs- und Versorgungsnetze, wie die Anzahl von Tankstellen und die Gesamtlänge von Straßen, Strom-, Gas- und Wasserleitungen. Und das Verhältnis zwischen der Größe der Stadt und der Infrastruktur ist überall auf der Welt ziemlich gleich“, sagt West. „Bei Betrachtung derselben Infrastruktur braucht eine Metropole mit 10 Millionen Einwohnern in der Regel 15 Prozent weniger als zwei Städte mit jeweils fünf Millionen Einwohnern.“

Städte funktionieren weltweit nach einem ähnlichen Muster. Dafür gibt es einen Grund, auch wenn er vielleicht nicht auf Anhieb erkennbar ist: die Menschen und ihre sozialen Kontakte. „Stadtbewohner sind gut vernetzt. In Städten gibt es einen natürlichen Mechanismus, um von den Vorteilen dieser Netzwerke zu profitieren.“ West vergleicht den Verkehrsfluss mit einem Lebewesen: „Die wichtigste Ausfallstraße einer Metropole verhält sich wie eine Hauptschlagader, die von der Hauptstraße abgehenden Straßen sind ihre Arterien und die Straßen, die schließlich zu den verschiedenen kleineren Städten führen, kann man als ihre Kapillargefäße betrachten.“ Würden in der Stadtplanung solche detaillierten Daten aus dem echten Leben verwendet, so West, hätte man entscheidende Kennzahlen für die erfolgreiche Entwicklung neuer Stadtviertel oder für die Wahl des richtigen Standorts für das neue Einkaufszentrum oder Stadion.

Mit der Skalierung nimmt das Leben in der Stadt zudem im wahrsten Sinne des Wortes Fahrt auf. Der israelische Verkehrsingenieur Yakov Zahavi gelangte als einer der ersten zu dieser Erkenntnis, als er in den 1970er Jahren Untersuchungen zum Stadtverkehr durchführte. Er stellte fest, dass der Durchschnittsbürger jeden Tag etwa eine Stunde unterwegs ist, unabhängig von der Größe der Stadt und dem gewählten Transportmittel. Zu diesem Ergebnis kamen auch Pendlerstudien in Städten weltweit.

Obwohl sich die Möglichkeiten der Mobilität vom Zufußgehen, übers Reiten hin zu U-Bahn- und Autofahren verbessert haben, bleiben die Menschen bei ihrem Reisezeitbudget von einer Stunden und entscheiden sich, lieber weiter weg zu wohnen und dafür längere Strecken zurückzulegen. „Innovationen haben auf wunderbare Weise zu einer höheren Reisegeschwindigkeit geführt. Doch statt kürzer unterwegs zu sein, nutzen die Pendler diesen Zeitgewinn, um längere Strecken zurückzulegen“, erklärt West.

Dieses Verhalten hat sich auf die Stadtgeografie ausgewirkt. Die Größe der Städte, so West, „ist bis zu einem gewissen Grad von der Effizienz ihrer Verkehrssysteme abhängig. Die Bürger müssen die Möglichkeit haben, in gut einer halben Stunde ihren Arbeitsplatz zu erreichen. Pendler sind bzw. waren jeden Tag rund eine Stunde unterwegs, ob im alten Rom, in einer mittelalterlichen Stadt oder in der modernen Metropole New York.

Der italienische Kernphysiker Cesare Marchetti hat diese universelle Gesetzmäßigkeit des Verkehrs in den 1990er Jahren genauer analysiert und gab dem Radius von einer Stunde Reisezeit sogar einen Namen: die Marchetti-Konstante. Sie hat weitreichende Konsequenzen für die Stadtplanung. Marchetti errechnete aufgrund der Gehgeschwindigkeit von etwa 5 km/h für eine typische „Fußgängerstadt“ einen Durchmesser von rund 5 km bzw. eine Fläche von 20 km2. Mit der Straßenbahn hat die „Einstundenstadt“ einen Durchmesser von 14 km. Legt man eine Autostunde zugrunde, erhöht sich der Durchmesser nach Marchetti auf 40 km, konstante Geschwindigkeiten vorausgesetzt.

Mit dem Aufkommen autonomer, gemeinsam genutzter Fahrzeuge oder Lufttaxis muss Marchettis Formel nach Einschätzung mancher Verkehrsexperten dringend aktualisiert werden. Auch die Qualität der Mobilität und die höhere Reisebereitschaft der Bürger, die unterwegs arbeiten oder Filme gucken können, müssen berücksichtigt werden. Dieser Ansicht ist auch der US-amerikanische Technologe Paul Levin. Mit den künftigen Verkehrsmodellen werden die Städte weiter wachsen, weil diese Modelle den Pendlern die Möglichkeit geben, weiter weg von ihrem Arbeitsplatz zu wohnen und immer längere Strecken zurückzulegen, so Levin.

Die historischen Stadtkerne mögen zwar autofrei sein, doch Marchettis Einstundenregel gilt nach wie vor und wird das Städtewachstum prägen. Städteplaner, die sich mit der Zukunft der Mobilität beschäftigen, sollten das im Hinterkopf behalten, fügt West hinzu: „Städteplaner fangen jetzt an, grüne, autofreie Gemeinden zu entwerfen und Autos werden mehr und mehr aus den Innenstädten verbannt. Für eine funktionierende Stadt wird es daher immer wichtiger, die mit der Marchetti-Konstante einhergehenden Zwänge zu verstehen und zu berücksichtigen.“

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