Architektonische Meisterwerke von Honigbienen und Wespen
Wenn man Michael L. Smith ein Bild einer Wabe von Honigbienen oder sozialen Wespen vorlegt, kann er detailliert erklären, wie die Insekten architektonische Probleme lösen, die durch verschiedene Zellgrößen entstehen. Kein Wunder, denn mit einer halbautomatischen Methode, die er mit seinem Forschungsteam entwickelte, untersuchte der Biologe für soziale Insekten bereits 22.745 einzelne Zellen, die verschiedene Arten von Honigbienen und soziale Wespen produzierten.
„Unabhängig voneinander haben Honigbienen und soziale Wespen die Fähigkeit entwickelt, sechseckige Zellen zu bauen.“
Michael L. Smith
Auf die gleiche Lösung kamen die Tiere, obwohl es beim Nestbau einige Unterschiede gibt. Beispielsweise verwenden Bienen Wachs als Baumaterial, soziale Wespen Papier. Bienen bauen doppelseitige Waben, die senkrecht hängen, während Wespen einseitige Waben bauen, die waagerecht hängen.
Doch worin besteht das architektonische Problem? „In einer Kolonie sind nicht alle Mitglieder gleich groß und benötigen daher unterschiedlich große Zellen“, erklärt Smith, Mitglied des Max-Planck-Instituts für Verhaltensbiologie und des Exzellenzclusters Kollektives Verhalten sowie Professor an der Auburn University. Es variiert, wie viel größer die Drohnen, die für die Reproduktion zuständig sind, im Vergleich zu den Arbeiterinnen sind. „Bei einigen Arten ist der Unterschied gering, bei anderen hingegen sind die Drohnen viel größer – und benötigen daher eine größere Zelle, in der sie heranwachsen können“, erklärt Michael L. Smith.
Interaktive Grafik: Klicken Sie auf die blauen Punkte, um mehr über den Aufbau des Nestes der Zwergbiene zu erfahren
Abbildung 1, Copyright: Bajaree Chuttong
Die zugrundeliegende Geometrie der Kontaktstelle
(A-C) Verbindungsmuster für den Übergang zwischen Arbeiter- und Fortpflanzungszellen, wobei das Zentrum jeder zusätzlichen Fortpflanzungszelle um Δ, die Diskrepanz zwischen Arbeiter- und Fortpflanzungszellen, versetzt ist.
(A) Seitliche Verschiebung der Zellzentren, die von links nach rechts zunimmt. Die grauen Scheiben zeigen die umschreibenden Kreise für Zentrentripel, die in einem regulären Gitter verbunden wären. Man beachte, dass die Scheibe rechts gegen die Delaunay-Bedingung verstößt (die Scheibe enthält 4, nicht 3 Zellzentren).
(B) Diese seitliche Verschiebung führt ein 5-7-Paar ein.
(C) Ein Übergangsbereich führt mittelgroße hexagonale Zellen ein, aber keine nicht-hexagonalen Zellen (3 Übergangsschichten, in grün).
(D) Beobachteter Übergang in A. florea, der einen plötzlichen Übergang zwischen Arbeiterinnen- und Fortpflanzungszellen zeigt, der 5-7 Paare umfasst (nicht schattierte Zellen).
(E) Beobachteter Übergang bei V. shidai mit einem Übergang, der mittelgroße hexagonale Zellen und keine 5-7 Paare verwendet.
(F) Beobachtete Rate der nicht-hexagonalen Zellen pro Arbeiterinnenzelle als Funktion des beobachteten Größendimorphismus (n = 115 Bilder). Die rote Linie ist die vorhergesagte Rate auf der Grundlage eines einstufigen Übergangs von Arbeiterinnen zu Reproduktionszellen bei einer durchschnittlichen Übergangslänge (Strategie in A und B). Der schattierte Bereich entspricht den Übergängen, die den besten einstufigen Übergang in Bezug auf nicht-hexagonale Zellen übertreffen. Arten mit hohem Größendimorphismus bilden keine Übergangsschichten (A. andreniformis, A. florea; D), während Arten mit mäßigem Größendimorphismus weniger nicht-hexagonale Zellen produzieren (schattierter Bereich "besser als optimal"), indem sie Zellen mittlerer Größe im gesamten Übergangsbereich einsetzen (Strategie in C, E).
(G) Regression der vorhergesagten nicht-hexagonalen Zellen auf der Grundlage der folgenden Faktoren: Größendimorphismus, beobachtete Merge-Länge und Tiefe des Übergangsbereichs im Vergleich zu den beobachteten nicht-hexagonalen Zellen für jedes Bild. Die Größe der Marker entspricht der Anzahl der Datenpunkte, die auf dieselbe Koordinate fallen. Bei der Modellvorhersage (x-Achse) erzeugt jedes 5-7-Paar 2 nicht-hexagonale Zellen. Die beobachteten nicht-hexagonalen Zellen (y-Achse) zählen alle nicht-hexagonalen Zellen, einschließlich 4-seitiger, 8-seitiger und ungepaarter Zellen. Die zugrundeliegenden Daten können unter http://dx.doi.org/10.35099/aurora-605 abgerufen werden.
Die architektonische Lösung vorhersagen
Die Insekten lösen das Problem der verschiedenen Zellgrößen mit nicht-sechseckigen Zellen, die auf vorhersehbare Weise kombiniert werden. Die häufigste Kombination sind Paare von 5- und 7-seitigen Zellen, wie die Forschenden herausfanden. „Wir glauben, dass es eine grundlegende Geometrie und vielleicht auch Konstruktionsmethode gibt, die zu der besonderen Anordnung von nicht-sechseckigen Zellen führt“, so Michael L. Smith. „Interessant ist auch, dass sich die 5-seitige Zelle immer auf der Arbeiterinnenseite befindet, während die 7-seitige Zelle auf der Seite der Drohnen liegt“, fügt Smith hinzu.
Querschnitt eines Nestes der Apis mellifera. Die Art Apis mellifera ist auch als Europäische Honigbiene oder Westliche Honigbiene bekannt. Sie ist die weltweit am häufigsten vorkommende Honigbienenart und auch die von Imkern bevorzugte Art. Dieser Biene ist sicher jeder schon einmal begegnet, denn sie kommt auf allen Kontinenten mit Ausnahme der Antarktis vor.
Waben der östliche Honigbiene (Apis cerana).
Nun zu den Wespen: Waben der Metapolybia Mesoamerika. Metapolybia Mesoamerica ist eine Papierwespenart, die 1997 entdeckt wurde. Sie ist in Mittelamerika zu finden. Die Wespen sind tagsüber aktiv und haben eine dunkle Färbung.
Waben der Vespula flavopilosa. Vespula flavopilosa ist der Name einer in Nordamerika beheimateten Wespenart. Da diese Art keine eigenen Kolonien bilden kann, übernehmen die Königinnen in einer Art Sozialparasitismus die Kolonien anderer Wespenarten.
Das Forschungsteam wusste, dass alle Tierarten dieses Problem auf irgendeine Weise lösen mussten: „Aber als wir sahen, dass alle so ziemlich das Gleiche machen, mit einigen kleinen Abweichungen, war das wirklich spannend“, erinnert sich Smith. „Wenn jemand eine völlig neue Art entdecken würde und uns sagte, wie groß die Zellen der Arbeiterinnen und der Drohnen sind, könnten wir vorhersagen, wie sie ihr architektonisches Problem lösen und welche 'Tricks' die Insekten anwenden würden. Dies würde wahrscheinlich auch für andere sechseckige Strukturen gelten, und das nicht nur bei sozialen Insekten“.
Die Studie wurde durch ein Netzwerk von Mitarbeitenden in der ganzen Welt ermöglicht, die entweder aus früheren Arbeiten schon Fotos von Nestern hatten oder neue Fotos besorgen konnten.
Interaktive Grafik: Honigbienen und soziale Wespen lösen Bauprobleme mit denselben architektonischen Tricks
Abbildung 2, Copyright: Michael L. Smith mit Fotos von Kevin J. Loope, James C. Makinson, Tatsuya Saga und Bajaree Chuttong
Anwendungsmöglichkeiten
Sechseckige Konstruktionen werden auch vom Menschen in vielen Bereichen verwendet, z. B. für die Tragflächen von Flugzeugen. „Das Sechseck ist sehr nützliche, weil es leicht, stark und flexibel ist“, sagt Smith. „Aber in manchen Fällen möchte man vielleicht an einer Stelle eines in einer bestimmten Größe und an einer anderen Stelle ein Sechseck in einer anderen Größe, da eine Stelle stabiler sein muss als eine andere. Derzeit lösen wir Menschen dieses architektonische Problem, indem wir einfach eine große Metallstrebe anbringen. Nun, die Bienen und Wespen zeigen uns einen intelligenteren Weg.“