Freigeist-Fellowship für Dr. Hannah Williams

Warum eine junge Wissenschaftlerin auf der Suche nach der optimalen Bewegungstheorie ist

© Dr. Hannah Williams

„Die Bewegung von Tieren ist ein grundlegendes, aber auch komplexes Phänomen. Wir sind noch weit davon entfernt, vorhersagen zu können, wann und wohin sich Tiere bewegen und wie sie diese Entscheidungen treffen“, sagt Bewegungsökologin Dr. Hannah Williams. Um das Rätsel zu entschlüsseln, erhält die Forscherin vom Max-Planck-Institut für Verhaltensbiologie ein Freigeist-Stipendium der VolkswagenStiftung. Williams wird ihre Studien am Exzellenzcluster Centre for the Advanced Study of Collective Behaviour (CASCB) an der Universität Konstanz durchführen. Ziel der Freigeist-Initiative ist es, Forscher*innen Freiraum für kreatives Denken und gleichzeitig Sicherheit zu bieten und ein engagiertes Forschungsteam für mindestens fünf Jahre zur Verfügung aufzubauen. Williams Stipendium ist mit 1,6 Millionen Euro dotiert.


 

„Ein Freigeist-Fellow ist ein junger Forscher mit einem kreativen Geist“, betont die VolkswagenStiftung. Sie erhalten dieses Stipendium für das Projekt „Optimal Movement Theory: Wahrnehmung von Energien für eine effiziente Bewegung". Warum wollen Sie Bewegung erforschen? Und was ist Ihr spezifisches Forschungsziel?

Hannah Williams: Die Bewegung von Tieren ist ein grundlegendes, aber komplexes Phänomen. Wir sind noch weit davon entfernt, vorhersagen zu können, wann und wohin sich Tiere bewegen und wie sie diese Entscheidungen treffen. Wenn wir verstehen, wie verschiedene Aspekte der Umwelt oder Nahrungsquellen einer Landschaft eine Bewegungsentscheidung beeinflussen, können wir die Bewegungsmuster von Tieren kartieren, bevor sie stattfinden. Dies ist in einer sich wandelnden Welt von entscheidender Bedeutung für das Verständnis von Massenbewegungen von Tieren und kritischen Schwellenwerten für das das Funktionieren der Gruppeninteraktionen. Meine Arbeit der nächsten 5 bis 8 Jahre zielt darauf ab, eine optimale Bewegungstheorie zu entwickeln, die Bewegungsentscheidungen von Tieren und ihren Gruppen auf der Grundlage von Wahrscheinlichkeit, Energetik und vielfältigen Nahrungsgrundlage einer Landschaften vorhersagen kann.
 

Da scheint es noch viel zu erforschen zu geben. Wo wollen Sie da anfangen?

Die energetischen Kosten der Bewegung hängen sowohl von der Art der Fortbewegung eines Tieres als auch von der Umgebung ab, so dass die Tiere probabilistische Entscheidungen treffen müssen, um sich so zu bewegen, dass sie Energie sparen. Wir wissen, dass sich viele Arten so entwickelt haben, dass sie die in der physischen Umgebung verfügbare Energie nutzen, um ihre Bewegungskosten zu senken, z.B. Arten in der Luft, die im Aufwind schweben, Meerestiere, die von günstigen Wasserströmungen profitieren, oder Landtiere, die den sanften Abhang eines Hügels dem Erklimmen einer senkrechten Felswand vorziehen. Da diese Umweltenergie jedoch bekanntermaßen schwer zu lokalisieren und in der Luft und im Meer unsichtbar und unvorhersehbar ist, möchte ich zunächst den energetischen Wert sozialer Informationen als eine Möglichkeit zur Erhöhung der Sicherheit bei Bewegungsentscheidungen ermitteln.

© Dr. Hannah Williams

Bariloche, Argentinien, 2018 Feldarbeit mit Sergio Lambertucci und Emily Shepard


 

Auf welche bisherigen Forschungsergebnisse können Sie dabei aufbauen?

Wir wissen, dass Tiere das Verhalten anderer beobachten, um Futterstellen zu finden. Ich verfolge daher die Idee, dass die Tiere, die am meisten auf Umweltenergie angewiesen sind, um sich kosteneffizient fortzubewegen, eine physische Intelligenz entwickelt haben, um die Bewegungen anderer Tiere zu belauschen, um günstige Routen zu finden. Es ist schwer zu glauben, dass wir nicht wissen, welche Mechanismen Tiere entwickelt haben, um Umweltenergie zu lokalisieren, vor allem, da wir Menschen auch darauf abzielen, bei der Fortbewegung Energie zu sparen. Wir versuchen ja zudem, die effiziente Entscheidungsfindung von Tieren bei der Programmierung autonomer Fahrzeuge zu kopieren. Ich gehe davon aus, dass sich Tiere so entwickelt haben, dass sie die in der Bewegung und Fortbewegung anderer vorhandenen Informationen nutzen, um ihre Erwartungssicherheit zu erhöhen. Wenn wir feststellen können, in welchem Ausmaß sie das tun, dann sind wir näher dran, die Bewegungsmuster von Individuen und ihren Gruppen vorherzusehen.
 

Sie müssen sich in die Lage der Tiere versetzen können, oder? Wie ist das möglich?

Wir müssen verstehen, wie Tiere ihre Welt sehen, eine Erwartungshaltung aufbauen und probabilistische Bewegungsentscheidungen treffen. Hier werde ich mich durch die Augen des Gleitschirmfliegers in die Augen des Gleitvogels versetzen und herausfinden, wie die Wahrnehmung der Umweltenergie in Bewegungsentscheidungen einfließen kann. Wie Gleitvögel sind auch Gleitschirmflieger für ihre Fortbewegung vollständig auf dynamische Luftströmungen angewiesen, da sie keinen Motor haben, den sie einfach einschalten können, wenn sie keinen Aufwind finden. Parallel dazu werden wir eine neue Langzeit-Feldstudie in Argentinien durchführen und das Bewegungsverhalten aller Individuen einer geschlossenen Population von Andenkondoren (vultur gryphus) beobachten. Hier können wir die aus der Gleitschirmstudie gewonnenen Erkenntnisse anwenden, um den Wert sozialer Informationen bei Bewegungsentscheidungen für eine Art zu quantifizieren, deren Ökologie extrem von Umweltenergie abhängig ist.

© Dr. Hannah Williams

Gleitschirmflieger in Annecy, Frankreich


 

Bei der faszinierenden Kombination aus Vogel- und Gleitschirm-Perspektive wird Ihre lebhafte Kreativität deutlich. Das klingt allerdings zugleich sehr herausfordernd. Welche Forschungserkenntnisse erhoffen Sie sich?

Mein Projekt ist eine Herausforderung, da es sich um ein nicht greifbares Konzept handelt, aber mit dem Gleitschirm-Piloten werden wir greifbare Erkenntnisse gewinnen und einen Datensatz aufbauen, der seinesgleichen sucht. Der Pilot und sein Gleitschirm sind im Grunde ein einziger Organismus, und obwohl in der Ökologie normalerweise keine Vergleiche zwischen Menschen und Tieren angestellt werden, sind in diesem Fall die Umgebungen und Bewegungskapazitäten der beiden Systeme ähnlich. Der Mensch kann uns einen äußerst wichtigen Einblick geben, wo natürliche Systeme eine Herausforderung darstellen, und umgekehrt haben sich tierische Systeme im Hinblick auf Effizienz entwickelt und können uns über die Bewegungsstrategien des Menschen und unserer Technologien informieren. So können wir beispielsweise feststellen, auf welche sozialen Hinweise Piloten oder unbemannte Fahrzeuge achten sollten, um einen Wettbewerbsvorteil zu erlangen und sich optimal auf ein Ziel zuzubewegen. Die Kombination von realen natürlichen und sportlichen Systemen, Simulationen und Virtual-Reality-Experimenten wird umfassende Ergebnisse für die Bewegungsökologie und menschengestützte Bewegung liefern.
 

Für wen sind die Ergebnisse relevant?

Die Arbeit wird den energetischen Wert sozialer Informationen bei der Bewegung unter verschiedenen Graden der Umweltdynamik ermitteln. Dies ist relevant für unsere Studien zum Verhalten von Tieren, die durch ihre gemeinsame Abhängigkeit an unvorhersehbaren Ressourcen zu einem gewissen Maß an Sozialität gezwungen sind. Dies hat Auswirkungen auf das Verständnis der Auswirkungen des Verlusts sozialer Informationen bei einem Rückgang der Populationen oder darauf, wie sich eine Gruppe an Umweltveränderungen anpassen kann, wenn die Bewegungskosten direkt beeinflusst werden.

Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse wird die Forschungsgruppe im Rahmen der Optimal Movement Theory ein Modell entwickeln, mit dem die Bewegungen von Flugtieren in Abhängigkeit von den verschiedenen Eigenschaften einer Landschaft, einschließlich der Umweltenergie, der Nahrungsquellen und der sozialen Informationslandschaft, vorhergesagt werden können. Im Laufe der Zeit kann dieses Modell dann weiterentwickelt werden, um die Bewegungen von Tieren mit anderen Fortbewegungsarten vorherzusagen, die durch gemeinsame Ressourcenbedürfnisse miteinander verbunden sind.
 

In diesem Jahr erhielten nur 13 Personen das begehrte Stipendium. Was bedeutet die Förderzusage für Sie?

Kreative Forschung mit offenem Ausgang ist befreiend! Aber dieser Ansatz ist für NachwuchsforscherInnen mit wenig Sicherheit in unseren Positionen riskant. Das Freigeist-Fellowship begrüßt genau diese Art des Denkens und stellt die Mittel zur Verfügung, dies zu tun! Mit der Förderung werde ich eine Gruppe von engagierten Forschenden hier in Deutschland und Argentinien aufbauen, die mit Unterstützung des Exzellenzclusters CASCB die Ansätze des Biologgings im realen Raum mit Simulations- und Manipulationsexperimenten im virtuellen Raum kombinieren wird. Die vom Freigeist-Fellowship angebotene Finanzierung ist eine langfristige Verpflichtung, die es uns ermöglicht, uns sowohl auf die verschiedenen Aspekte dieser Arbeit zu konzentrieren als auch in Echtzeit Ideen zwischen ihnen auszutauschen. Das werden sehr spannende erste 5 Jahre werden!

Kollaborationen:

  • Die Gruppe wird mit der British Paragliding Racing Academy (BPRA) zusammenarbeiten, um aus der Vogelperspektive zu erfahren, wie man sich optimal im Luftstrom bewegen kann, und um die Ergebnisse in die individuelle und gruppenbezogene Taktik für den Erfolg im Wettbewerb einfließen zu lassen.
  • Die Arbeit mit Andenkondoren erfolgt in Zusammenarbeit mit Prof. Sergio Lambertucci in Argentinien, mit dem ich das Vergnügen hatte, an einer eigenen Population von Andenkondoren in den Anden zu arbeiten.
  • Ich werde mit dem Centre for Visual Computing of Collectives (VCC), dem Exzellenzcluster CASCB und dem Labor für Tier-Umwelt-Interaktionen des Max-Planck-Instituts für Verhaltensbiologie zusammenarbeiten.
  • Die High-Tech-Einrichtungen der Universität Konstanz sind geeignet für zukunftsweisendes Denken und experimentelles Arbeiten zur Erforschung der Bewegung von Kollektiven.
© Dr. Hannah Williams

Dr. Hannah Williams ist eine Bewegungsökologin mit Expertise in der Entwicklung von biologischen Sensoren für die verhaltensökologische Forschung. Sie hat in den letzten zwei Jahren am Max-Planck-Institut für Verhaltensbiologie gearbeitet und ist Mitglied des Exzellenzclusters CASCB. Davor war sie als Postdoktorandin und Doktorandin am Swansea Laboratory for Animal Movement tätig.

In den letzten neun Jahren hat Hannah Williams die Verwendung der Biologging-Technologie zur Aufzeichnung der Bewegungen von Tieren, insbesondere von Geiern, entwickelt. Sie hat festgestellt, dass sie, wenn sie einen Vogel beim Fliegen beobachtet, eher physische Bewegungsdaten wie Datenströme der Segelflugleistung sieht als ein Bild des fliegenden Vogels. Eine Hypothese begann Gestalt anzunehmen: Vielleicht sehen sich die Vögel auch gegenseitig als Bewegungsmetriken, was einen Mechanismus zur Messung der Eigenschaften von ansonsten unsichtbaren Luftströmen darstellen würde. Diese Hypothese hat sie seither weiterentwickelt, da sie erkannt hat, dass es ein enormes Potenzial gibt, wenn wir uns der Idee öffnen, dass alle sich bewegenden Wesen Informationen über unsichtbare Energien gewinnen können, indem sie Werte in der Fortbewegung „sehen", die über einen bloßen sensorischen Reiz hinausgehen.

 


 

Dr. Elisabeth Böker

Von Dr. Elisabeth Böker - 12.05.2022