Was uns Ameisen über Systemstabilität lehren

Wanderameisen organisieren sich kollektiv zu komplexen, anpassungsfähigen Strukturen, ohne dabei kommunizieren zu müssen – Studie der Universität Konstanz und des Max-Planck-Instituts für Verhaltensbiologie

© James Herndon

Eine neue Art von Kollektivverhalten bei Ameisen wurde von einem internationalen Forschungsteam entdeckt. Ameisen errichten aus ihren eigenen Körpern sogenannte „Gerüste“ (engl. „scaffolds“), um Oberflächen mit starker Neigung zu überqueren und dabei den Verkehrsfluss auf geneigten Flächen zu gewährleisten. Diese Gerüste entstehen nicht durch Kommunikation auf Ebene der Gruppe, sondern sind das Ergebnis der Wahrnehmungen und Entscheidungen einzelner Ameisen. Sie ermöglichen jedoch der Kolonie als Ganzes, sich dynamisch an unvorhersehbare Umweltbedingungen anzupassen. Die Forschungsarbeiten fanden unter der Leitung des Biologen Prof. Dr. Iain Couzin, einer der Sprecher des Exzellenzclusters „Centre for the Advanced Study of Collective Behaviour“ an der Universität Konstanz und Direktor am Max-Planck-Institut für Verhaltensbiologie, sowie von Matthew Lutz, Postdoc in Couzins Labor, statt.

Wer kennt diese Situation nicht? Man steht wegen einer Baustelle im Stau oder wollte mit dem Zug zur Arbeit, aber der ist ausgefallen. Ein Problem, das viele komplexe menschgemachte Systeme gemein haben, egal ob Verkehrsinfrastrukturen oder andere technische Systeme, ist ihre mangelnde Stabilität gegenüber äußeren Einflüssen. Sie sind häufig starr und unflexibel, und zentralisierte oder hierarchische Kontrollstrukturen machen sie anfällig für punktuelle Störungen. Biologische Systeme hingegen verwenden oft dezentrale Kontrollstrukturen und können erstaunlich unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen sein.

Um mehr über die Kontrollmechanismen zu erfahren, die der Stabilität und Widerstandsfähigkeit natürlicher Systeme zugrunde liegen, haben der Konstanzer Biologe Iain Couzin und sein Labor zusammen mit internationalen Kollegen aus Australien und den USA untersucht, wie Ameisen den Verkehrsfluss der Kolonie während der Nahrungssuche koordinieren. Ihre Studie, die in PNAS veröffentlicht wurde, zeigt, wie sich Ameisen der Art Eciton burchellii auf geneigten Flächen selbst zu lebenden Hilfsstrukturen, sogenannten „Gerüsten“, organisieren, um Verkehrsbehinderungen und Beuteverlust zu vermeiden.

© Matthew Lutz

Wandermeisen der Art Eciton burchellii errichten aus ihren eigenen Körpern sogenannte „Gerüste“ (engl. „scaffolds“), um Oberflächen mit starker Neigung zu überqueren und dabei den Verkehrsfluss auf geneigten Flächen zu gewährleisten.

Die Forschenden beschreiben für die Gerüstbildung einen Mechanismus, bei dem jede Ameise ihr Verhalten auf Basis ihrer eigenen Erfahrungen anpasst, ohne dass eine Kommunikation auf Gruppenebene erforderlich ist. Dieser einfache, aber effektive Mechanismus aus der Tierwelt könnte als Inspiration für künstliche Systeme dienen – von autonomen Fahrzeugen bis hin zu zukünftigen Formen flexibler Infrastrukturen, die sich selbständig an wechselnde Bedingungen anpassen.

Gefräßige Raubtiere und begnadete Architekten
Für ihre Studie reisten die Wissenschaftler nach Panama, wo die untersuchte Art – die Wanderameise Eciton burchellii – den tropischen Wald der Insel Barro Colorado bewohnt. Die Eciton Wanderameisen sind soziale Insekten und leben in großen Kolonien mit hunderttausenden von Arbeiterinnen. Tagsüber jagen sie in riesigen Schwärmen nach Beute und können dabei an einem einzigen Tag die Gesamtfläche von vier Tennisplätzen leerfegen. Zu den vielen evolutionären Anpassungen, die diese Ameisen zu einem der wichtigsten wirbellosen Raubtiere des Tropenwaldes machen, gehört ihre bemerkenswerte Fähigkeit, sich selbst zu lebenden Strukturen zu organisieren. Zum Wohle der Kolonie schließen sich einzelne Ameisen zusammen, um die Umgebung zu modifizieren und den Verkehrsfluss der Kolonie während der Jagd zu gewährleisten.

Die PNAS-Studie beschreibt nun eine bestimmte Art dieser aus lebenden Ameisen bestehenden selbstorganisierten Strukturen – von den Autoren der Studie als „Gerüste“ bezeichnet – erstmalig im Detail. Unter natürlichen Bedingungen bilden sich diese Gerüste, wenn die Ameisenstraßen von E. burchellii geneigte Oberflächen, wie Äste oder Felsen, kreuzen. Einzelne Ameisen halten dann an und krallen sich an der Oberfläche fest, um an Ort und Stelle zu verweilen. Mit ihren Körpern als „Gerüst“ bieten sie zusätzlichen Halt für weitere Ameisen, die ihren Weg fortsetzen und dabei über die unbeweglichen Artgenossen hinweg marschieren.

Die Gerüststrukturen sind sehr anpassungsfähig und nehmen je nach Anforderung unterschiedliche Formen und Größen an – von wenigen verstreuten Ameisen, die eine „Kletterwand“ bilden, bis hin zu dichten Ansammlungen von Ameisen, die eine Art hervorstehendes Regalbrett bilden.

„Gerüste bilden sich als schnelle Reaktion auf Störungen und verhindern, dass die Ameisen auf der geneigten Fläche ausrutschen und fallen. Das ist besonders wichtig, wenn man gerade wertvolle Ressourcen, wie Beute, durch dichtes Gedränge transportiert und einen der Weg durch einen unberechenbaren Regenwald mit allerlei Arten von Hindernissen führt.“

Prof. Dr. Iain Couzin, Sprecher des Exzellenzclusters „Centre for the Advanced Study of Collective Behaviour, Direktor am Max-Planck-Institut für Verhaltensbiologie

Koordination auf Gruppenebene ohne Kommunikation
Um das kollektive Gerüstbauverhalten experimentell zu untersuchen, entwarfen die Autoren eine Vorrichtung, die es erlaubte, Schrägen mit definierter Neigung in die Straßen freilebender Ameisenkolonien zu setzen. Durch wiederholte Experimente mit unterschiedlichen Neigungswinkeln fanden die Forscher heraus, dass sich die Ameisen zuverlässig zu Gerüsten organisieren, wenn die Neigung der zu überquerenden Fläche einen Winkel von 40 Grad überschreitet. Je steiler der Winkel, desto mehr Ameisen rutschen anfangs aus oder fallen von der Plattform und desto größer wachsen die Gerüste. Sobald sich ein Gerüst gebildet hat – einige Minuten, nachdem die Ameisen mit dem Überqueren der Schräge begonnen haben – fällt die Zahl der rutschenden und fallenden Ameisen dank der entstandenen Hilfsstruktur auf ein niedriges Niveau zurück.

In Übereinstimmung mit ihren Feldbeobachtungen und unterstützt durch theoretische Modellierungen schlagen die Wissenschaftler einen überraschend einfachen Mechanismus für die Gerüstbildung vor: Wenn ein Tier auf einer schrägen Oberfläche ausrutscht und dann wieder Fuß fasst, hat es eine gewisse Tendenz, sich am Boden festzukrallen und an Ort und Stelle stehen zu bleiben. Dadurch beginnt es entweder den Bau einer neuen Struktur oder es schließt sich einem bestehenden Gerüst an. Je mehr Tiere dieses Verhalten zeigen, desto weniger rutschig wird die geneigte Oberfläche, da das Gerüst wächst. Schließlich hört die Struktur auf zu wachsen, weil die nachkommenden Ameisen das bestehende Gerüst nutzen können, um die geneigte Fläche ungehindert zu überqueren. „In gewisser Weise hat es selbst uns überrascht, wie einfach der Mechanismus ist. Wenn man solche kollektiven Phänomene zum ersten Mal beobachtet, denkt man intuitiv, dass es irgendeine Art von Kommunikation zwischen den Ameisen geben muss. In diesem speziellen Fall ist das aber gar nicht nötig. Jedes Individuum passt sein Verhalten anhand seiner eigenen Erfahrungen an, sobald es das Hindernis überquert“, erklärt Couzin.

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Zeitrafferaufnahme der Gerüstbildung bei zwei verschiedenen Neigungswinkeln (oben: 50°, unten: 90°). © Matthew Lutz, Chris Reid, Simon Garnier und Iain Couzin

Die Natur als Inspirationsquelle
Da die Komplexität menschlicher technischer und sozialer Systeme zunimmt, ist es entscheidend, Mechanismen zu finden und zu implementieren, die Fehler zuverlässig und schnell korrigieren und so die Systemstabilität erhöhen. Das Beispiel der Gerüstbildung bei Eciton Wanderameisen bietet einen solchen Mechanismus. Aufgrund seiner Einfachheit – es werden ausschließlich Informationen über den Zustand der einzelnen Elemente benötigt, statt komplexer Kommunikation auf Gruppenebene – könnte er als Blaupause für robuste und dennoch flexible technische Systeme mit ähnlichen Formen verteilter, sprich dezentraler Kontrollstrukturen dienen. Lutz, ein Architekt, dessen Faszination für selbstorganisierte Muster in der Biologie zu seiner Doktor- und Postdoc-Arbeit über kollektives Verhalten und Selbstorganisation im Labor von Iain Couzin führte, schlussfolgert:

„Da der Mechanismus in Bezug auf Wahrnehmung und Kommunikation recht einfach ist, könnte er für Anwendungen auf vielen Ebenen und in verschiedenen Disziplinen nützlich sein. Das reicht von der Schwarmrobotik, wo Einschränkungen der Sensorik und Kommunikation limitierende Faktoren sein können, bis hin zur Entwicklung von selbstheilenden Materialien, Biofabrikationstechniken und neuen Modellen einer reaktionsfähigen Infrastruktur.“

Matthew Lutz, Postdoc in Couzins Labor

Die Studie wurde von der National Science Foundation (NSF, USA), dem Office of Naval Research (ONR, USA), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG, Deutschland) im Rahmen der deutschen Exzellenzstrategie (EXC 2117; „Centre for the Advanced Study of Collective Behaviour“), der Max-Planck-Gesellschaft (MPG, Deutschland), dem Australian Research Council (ARC, Australien), dem Santa Fe Institute (USA) und dem Department of Ecology and Evolutionary Biology der Princeton University (USA) gefördert.

Dr. Daniel Schmidtke

Von Dr. Daniel Schmidtke - 26.04.2021