Über einem Fluss in Mexiko kreisen Vögel. Sie warten auf ihre Gelegenheit zum Angriff, denn unter der Oberfläche schwimmen Millionen von Fischen. Plötzlich jedoch durchbrechen die Schwanzflossen einer in gerader Reihe abtauchender Fische synchron die Wasseroberfläche und schlagen eine Welle. Ihnen folgt wie auf Kommando eine nächste Reihe und dann weitere. Hunderttausende koordiniert auf- und abtauchende Fische erzeugen eine wiederkehrende La-Ola-Welle auf der Wasseroberfläche, und die verwirrten Raubvögel müssen ihren Angriff verschieben.

Forscher fragen fasziniert: Wie kommunizieren die Fische solch komplexes Schwarmverhalten? Das Team des Ichthyologen David Bierbach macht dazu Hochgeschwindigkeitsaufnahmen von hunderttausenden La-Ola-schlagenden Fischen, um ihre Kommunikationskanäle und Reaktionen zu ergründen. Und vielleicht vertieft das sogar unser Verständnis von sozialen Ausbreitungswegen von Informationen in Social Media.

Der promovierte Zoologe arbeitet im Exzellenzcluster »Science of Intelligence« der TU Berlin, der HU Berlin und des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB). Schon als Kind hatte er eigene Fische, in seiner Diplomarbeit erforschte er tropische Fische und ihr Schwarmverhalten. Seit 2010 untersucht er ihr Verhalten, ihre Persönlichkeiten und kollektive Intelligenz.

Dichter weisen Tieren schon seit Jahrhunderten gerne menschliche Eigenschaften zu. Stets einfach gestrickt: So wird etwa der Fuchs hier zu Lande als listig porträtiert, der Hahn als eitel, der Löwe als mächtig, der Hase als ängstlich und der Esel als faul.

Fische werden unterschätzt

Dass Tiere jenseits dieser fiktiven Zuschreibungen durchaus individuelle Charaktere haben, lässt sich leicht beobachten. Katzenliebhaber können äußerlich gleich aussehende Hauskatzen leicht anhand von deren verschiedenen Vorlieben und Persönlichkeiten unterscheiden. Auch bei anderen Haustieren oder in der Natur lebenden Säugetieren, Vögeln und Reptilien erkennt man schnell individuelle Verhaltenszüge wie Neugierde, Mut, Aggressivität oder Geselligkeit. Hier sprechen Biologen von der Tierpersönlichkeit eines Individuums.

Fische allerdings haben es in der öffentlichen Wahrnehmung schwerer. In der Mythologie hat sich für sie keine einschlägige Personifizierung durchgesetzt – außer dass sie stumm sind. Und dass Disneys Kassenschlager »Findet Nemo« mit dem neugierigen, abenteuerlustigen Fischjungen Nemo und seinem ängstlichen, ungeselligen Vater Marlin sogar realistische Fischcharaktere trifft, auf diese Idee wären sicher nur wenige Menschen gekommen.

Doch die La-Ola-Wellen im mexikanischen Fluss zeigen, dass man die Schuppentiere nicht unterschätzen darf. Tatsächlich vollbringen Fische erstaunliche Leistungen. Im Schwarm zeigen die Tiere eine noch immer nicht gänzlich verstandene Intelligenz und darüber hinaus im Einzelnen sogar »konsistente, individuelle Verhaltensunterschiede« – was die wissenschaftlich korrekte Ausdrucksform für »Persönlichkeit« ist.

Seit Mitte der 90er Jahre des 20. Jahrhunderts rückt die Verhaltensforschung verstärkt die »animal personality« in den Fokus – und seit einer 2007 in »Biology Reviews« erschienenen einflussreichen Veröffentlichung gilt das auch für Fischpersönlichkeiten. Dabei ist dieser Begriff umstritten. Fachleute streiten, ob der Ausdruck »Persönlichkeit« nicht womöglich zu vermenschlichend ist – schließlich sind Tiere ja keine Personen.

Was ist eigentlich Persönlichkeit?

Das aber ändert nichts an den individuellen Verhaltensunterschieden bei Tieren, die nun immer intensiver erforscht werden. Denn mit neuen Techniken wie Roboterfischen können Forscher mittlerweile herausfinden, warum gewisse Variationen auftreten oder weshalb in einer bestimmten Situation kein einziges optimales Verhalten gezeigt wird – wieso beispielsweise einige immer kämpfen, während andere in derselben Situation immer fliehen.

Um jedoch von Persönlichkeitsunterschieden bei Fischen sprechen zu können, musste Bierbach erst herausfinden, welcher Anteil der Verhaltensunterschiede genetische Ursachen hat und welcher auf Umwelteinflüsse zurückgeht. Das überprüfte er durch Zwillingsforschung am Amazonen-Kärpfling. Diese Fische sind nicht nur lebend gebärend, sondern vermehren sich asexuell – seit tausenden Jahren erzeugen die weiblichen Fische Klone von sich selbst, weswegen sie auch nach den sagenumwobenen griechischen Amazonen benannt wurden.

»Ein mutiger Fisch ist oft auch neugierig, aktiv und dabei oft aggressiver und weniger sozial«David Bierbach

Eine Kärpflingsmutter gebiert in jedem Fortpflanzungszyklus 30 Klone, die Bierbachs Team unter verschiedenen Umweltbedingungen beobachtete, um die Entwicklung von Verhaltenstypen zu verstehen. Beispielsweise, wie sich unterschiedliche Wassertemperaturen auf die genetisch identischen Geschwister auswirken.

»Nach der allgemeinen Annahme, dass Verhaltensvariationen entweder durch genetische Unterschiede – ›nature‹  – oder unterschiedliche Umweltbedingungen – ›nurture‹  – entstehen, sollten bei Klonfischen unter identischer Aufzucht keine Verhaltensvariationen auftreten«, erläutert der Verhaltensforscher. Aber in einer Veröffentlichung von 2017 zeigte sein Team, dass Verhaltensunterschiede auch bei identisch gehaltenen Umweltbedingungen und identischer Genetik entstehen.

Wie Fische so drauf sind

»Wir nehmen an, dass die Entwicklung von Verhalten sehr komplex ist und somit viele Gene zusammenspielen müssen«, sagt Bierbach. »Da kann es durch Zufall zu verschiedenen Ausprägungen kommen, die sich dann über die Entwicklung des Individuums verstärken.« So könnten Unterschiede der Persönlichkeit entstehen, obwohl die Individuen mit den gleichen Genen und in der gleichen Umwelt gestartet sind.

Die Ichthyologen bestimmten fünf »Persönlichkeitsachsen«, auf der sie die Fische mit Hilfe verschiedener Experimente auf einer Skala von minus bis plus einordneten. »Mutigkeit und Risikobereitschaft – ›shy and bold‹ – messen wir, indem wir beobachten, wie Fische in für sie gefährlichen Situationen reagieren«, erläutert Bierbach die erste Persönlichkeitsachse.

»Lassen wir beispielsweise einen Tischtennisball auf die Wasseroberfläche fallen, schwimmen die mutigen Fische nach kurzer Zeit weiter, während sich die weniger mutigen verschreckt in eine Ecke zurückziehen und dort länger regungslos ausharren.« Oder die Verhaltensforscher setzen einen Fisch in einen Becher mit einer kleinen Öffnung, die in ein unbekanntes Aquarium führt. Anhand der Zeit, die der Fisch braucht, um hinauszuschwimmen, kann man auch die Mutigkeit messen. Die Schüchternen bleiben länger in den Schutz bietenden Bereichen.

Die zweite Persönlichkeitsachse ist die Aktivität, bei der die Wegstrecke pro Zeiteinheit gemessen wird, die ein Fisch in seiner normalen Umgebung herumschwimmt. Die dritte Persönlichkeitsachse beschreibt die Aggressivität, denn manche Fischarten beißen sich, führen Maulkämpfe durch, schlagen sich mit den Schwanzflossen und jagen sich durch das Becken. Um die Aggressivität zu messen, lassen Verhaltensforscher die Tiere gegen ihr Spiegelbild kämpfen oder zählen, wie oft wer wen in einer Gruppe angegangen hat.

Die vierte Persönlichkeitsachse beschreibt die Neugierde (»exploration behavior«). Die Ausprägung bestimmen die Forscher zum Beispiel, indem sie ein neues Objekt wie einen Spielwürfel ins Aquarium setzen und die Reaktion beobachten. »Einige Fische schwimmen direkt darauf zu, andere ziehen erst ihre Kreise, bevor sie sich dem neuen Objekt zuwenden«, beschreibt Bierbach. Dass es sich hierbei nicht nur um Mut handelt, ließe sich ja leicht durch das Mutigkeits-Experiment prüfen, bei welchem ein neugieriger Fisch durchaus ängstlich reagieren kann.

Langzeitbeobachtungen

Häufig seien diese Verhaltensachsen jedoch miteinander korreliert, erklärt Bierbach: »Ein mutiger Fisch ist meist auch neugierig, aktiv und dabei oft aggressiver und weniger sozial. Das bezeichnen wir dann als Verhaltenssyndrom.« Um auszuschließen, dass eine Reaktion etwa auf einen Hungerzustand oder einen schlechten Tag zurückzuführen sind, beobachten Bierbach und sein Team die Fische mehrfach, manchmal filmen sie sie sogar von der Geburt bis zur Geschlechtsreife.

»Im Grunde genommen ist das Big Brother für Fische«, sagt Bierbach. »Mittels spezieller Software verfolgen wir, wohin ein jeder Fisch wie lange geschwommen ist, wo er Futter gesucht hat, und das lässt sich den Persönlichkeitsachsen zuordnen. Dann sieht man, ob ein Individuum konsistent dieses Verhalten über eine Zeit in verschiedenen Situationen zeigt, denn das ist dann die Persönlichkeit.« So zeige sich beispielsweise, dass mutige Fische auch generell aktiver seien.

»Im Grunde genommen ist das Big Brother für Fische«David Bierbach

»Sozialität« als fünfte Achse der Persönlichkeit beschreibt, ob ein Fisch gerne Zeit mit seinen Artgenossen verbringt. Diese Geselligkeit messen die Verhaltensforscher auf verschiedenen Weisen. In einem Versuchsaufbau trennt eine Glasscheibe einen Einzelfisch von seinen Schwarmkollegen, und je nachdem, wie oft ein Fisch zur Gruppe schwimmt, lässt sich abschätzen, wie gesellig er ist. In einem anderen Versuchsaufbau kommt derweil ein selbst gebauter Roboterfisch zum Einsatz.

Denn wenn zwei Individuen interagieren, beeinflussen sie sich gegenseitig. »Mal schwimmt der eine vor, mal der andere, so dass sich nicht leicht sagen lässt, von welchem Fisch welcher Impuls ausgeht«, beschreibt Bierbach. Mit einem Roboterfisch wird ein standardisierter sozialer Partner definiert. «Der Roboterfischpartner hat immer das Gleiche gemacht, die lebenden Fischindividuen zeigten konsistent andere Verhaltensmuster – manche schwammen immer hinterher, andere fast nie«, fasst Bierbach die Studienergebnisse zusammen.

Mechanische Helfer für die Forschung

Die Arbeit mit der neuen Technik war anfangs verzwickt, denn Bierbachs Fische wollten erst gar nichts mit dem Roboterfisch zu tun haben. Sie akzeptierten die Fischattrappe nicht als Artgenossen – ein häufiges Problem für Ichthyologen. Die Augen der ersten Robotergenerationen bestanden aus ausgedruckten 3-D-Attrappen oder waren angemalt. Dann blickte Bierbach dem Teddybären seiner Tochter in dessen realistisch aussehende Glasaugen und hatte die zündende Idee: Er ließ sich für seine Roboterfische drei Millimeter große handgeblasene Äuglein einer Lauschaer Glasaugenmanufaktur zuschicken und schaffte damit den Durchbruch.

Denn es brauchte zur Akzeptanz und Kommunikation offenbar einen Schlüsselreiz, wie es der Verhaltensforscher-Papst Nikolaas Tinbergen bereits vor Jahrzehnten postuliert hatte. Der 1973 mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin ausgezeichnete niederländische Zoologe war schon seinerzeit überzeugt: Bei der Kommunikation zwischen Tieren würden nur bestimmte Reize zur Informationsübertragung gebraucht. Die Teddybär-Augen lieferten offenbar diesen einen relevanten Schlüsselreiz. Seit Bierbach den Trick 2016 veröffentlichte, sind Glasaugen nun quasi internationaler Standard bei Roboterfisch-Versuchen.

Roboterfische werden auch für andere Fragestellungen eingesetzt, etwa wenn es um das Verständnis des Schwarmverhaltens geht: Wie schaffen es Fische, sich synchron zu bewegen und zusammenzubleiben?

»Es gibt viele Theorien, nach welchen Regeln das vor sich gehen soll. In Computermodellen funktionieren diese menschengemachten Regeln, aber die entsprechen nicht zwangsläufig den Regeln in der Natur«, erläutert der Verhaltensforscher. Um Regeln zu testen, müsse man sie variieren können, das ginge mit lebenden Tieren allerdings nicht, denn die beeinflussen sich stets gegenseitig und machen auch nicht immer das, was die Forschenden wollen. »Ein standardisierter Roboter lebt die programmierten Regeln in der Gruppe aus. Wie ein autonom fahrendes Auto schwimmt der Roboter mit der Gruppe mit, befolgt dabei aber die ihm einprogrammierten Regeln, die wir überprüfen können«

Die Regeln des Schwarms

Zur Beschreibung eines Schwarmverhaltens werden meist nur die rein computergenerierten Erkenntnisse von Craig Reynolds herangezogen. Der Experte für künstliches Leben und Computergrafik programmierte Schlachten für Hollywoodfilme, darunter die animierten Fledermausschwärme und durch Gotham City watschelnden Pinguinarmeen in Tim Burton's »Batman Returns«. Statt jedes interagierende Objekt, »Boid« genannt, einzeln zu programmieren, nutzte Reynolds seine bereits 1986 erdachte, bahnbrechende »Boids«-Simulation, die nun auch zur realistischen Computerdarstellung von Vögeln, Schafen und Fischen dient und einem einfachen Regelwerk folgt:

1. Wenn ein Artgenosse zu weit entfernt ist, dann schwimme näher heran.
2. Wenn du dich im optimalen Abstand zum Artgenossen befindest, dann schwimme in die gleiche Richtung.
3. Wenn der Artgenosse zu nah kommt, dann schwimm weg.

Doch es bedarf noch einer gezielten empirischen Überprüfung, ob die lebenden Schwarmtiere auch in der Natur diesem einfachen Regelwerk gehorchen oder ob etwa Verfeinerungen und Erweiterungen notwendig wären. »Vielleicht wurde eine Regel vergessen, oder eine andere ist irrelevant«, sagt Bierbach.

Die neue Roboterfisch-Technik soll diese Überprüfung nun ermöglichen: Dem künstlichen Fisch werden diese Regeln mit Abweichungen einprogrammiert, um die Reaktionen des Schwarms systematisch zu testen.

Etwa bei den mexikanischen Fischen, deren Gewässer natürlich vorkommende Schwefelquellen enthält. Der aus diesen austretende Schwefelwasserstoff entzieht dem Wasser den Sauerstoff. Nur an der Oberfläche befindet sich genügend davon, und dort tummeln sich die Fische. Ein Paradies für Eisvögel, Reiher und Kormorane, denn die Fische können bei der Sauerstoffarmut nicht zu lange in der Tiefe Schutz suchen.

Auch Fische haben Leithammel

Doch das spektakuläre, rhythmische Abtauchen des Schwarms mit bis zu 300 000 beteiligten Fischen schützt die Beute minutenlang vor Raubvögel-Angriffen. Die Forscher rätseln noch: Wie genau klappt der Mechanismus? Wie dicht muss ein Fisch an einem anderen dran sein? Lässt sich die spektakuläre La-Ola-Welle allein mit den drei Schwarmregeln erklären? Wer beeinflusst überhaupt einen Schwarm?

Bierbachs erste Forschungsergebnisse mit dem Roboterfisch zur Schwarmdynamik zeigen: Schnell schwimmende, aktivere Fische nehmen meist die Führungsposition ein. »Vorher hätte keiner sagen können, ob sich die Führungsposition aus der Interaktion mit weiteren Fischen oder doch nur aus der Persönlichkeit des einen ergibt«, erklärt Bierbach. »Jetzt wissen wir dank des stets gleich reagierenden, folgsamen Roboterfischs: Die Geschwindigkeit des Führungstiers hat einen großen Einfluss auf das gesamte Schwarmverhalten.«

Doch das gilt keineswegs überall, wie Bierbachs Arbeitsgruppe in einer ganz anderen Art von Gewässer herausfand. In Deutschland fischt sein Ichthyologen-Team regelmäßig tropische Fische aus Gewässern, die durch eingeleitetes Kühlwasser ungewöhnlich warm sind. Damit erforscht Bierbach, wie die heimische Fischfauna durch Klimawandel und invasive Arten beeinträchtigt werden könnte.

Denn immer mal wieder setzen Aquarianer unüberlegt und illegal tropische Fische wie Piranhas aus, die zwar kurzzeitig Schlagzeilen bringen, aber den kalten Winter hier zu Lande nicht überleben. In ungewöhnlich warmen Gewässern vulkanischen Ursprungs oder in den erwärmten Kühlwasser-Ableitungen von Kraftwerken tummeln sich derweil stabile Populationen tropischer Fische, was im Zuge der Energiewende die Frage aufwirft: Wenn die Kohlekraftwerke bald abgeschaltet werden, welche Arten passen sich an – oder breiten sich gar aus?

Die Fische und die Energiewende

In warmen Gewässern wie etwa der österreichischen Thermalquelle Warmbad bei Villach haben sich schon vor Jahrzehnten tropische Fische angesiedelt. Ganzjährig warme Gewässer, deren Temperatur nie unter 15 Grad Celsius fällt und die somit eine Lebensgrundlage für stabile Populationen tropischer Fische bietet, gibt es auch in Deutschland. Man findet sie dort, wo Kraftwerke ihr erwärmtes Kühlwasser ableiten, und im Grubenwasser der Tagebaue.

Im Winter schrumpfen die Populationen auf den Bereich, in dem das erwärmte Kühlwasser eingeleitet wird. Im Sommer erweitert sich der geeignete Temperaturbereich auf den gesamten Bach, so dass tropische Fische wie Guppys aus ihrem Kerngebiet auswandern können. Diese Guppy-Ausbreitung verfolgte Bierbachs Team und prüfte dabei mit den Roboterfischen die Rolle der individuellen Persönlichkeit.

Die Ichthyologen stellten die Hypothese auf, dass es Fische mit einer mutigeren, aktiveren und weniger sozialen Persönlichkeit wären, die sich zuerst in die unbekannten Weiten wagen, die zuvor noch nie ein Guppy gesehen hat. Doch Bierbachs Team identifizierte an allen Orten zu allen Zeiten eine bunte Mischung von Persönlichkeiten, wie sie auch im Kerngebiet vorkamen, und nicht etwa vornehmlich mutige Guppys.

Die Wissenschaftler wollen nun genau verstehen, wie sich invasive neue Arten ausbreiten. Zum einen, um gegebenenfalls Schutzmaßnahmen ergreifen zu können, zum anderen, um der Gefahr eingeschleppter Krankheiten Herr zu werden. »Parasiten sind meist widerstands- und anpassungsfähiger und befallen auch heimische Tiere«, erläutert der Fischexperte besorgt, »und das ist das eigentliche Problem.«