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Das Geheimnis der Ameisentransportnetze
Zu den beeindruckendsten Transportnetzen der Welt gehören die komplexen Pfade, die Ameisen um ihre Nester herum anlegen. Diese Netzwerke entstehen durch die Erkundung ihrer Umgebung durch die Ameisen und kanalisieren schließlich die Verteilung der Nahrung für die Kolonie und die täglichen Bewegungen von Hunderttausenden von Individuen.
Darüber hinaus sind diese Netzwerke nicht nur ein zufälliges Durchqueren des Weltraums. Stattdessen sind sie eine hocheffiziente Lösung für das Problem der Suche und des Transports von Lebensmitteln. Verschiedene Gruppen haben ameisenähnliche Algorithmen zur Nahrungssuche entwickelt, um andere Arten der virtuellen Erkundung durchzuführen.
Eine Frage, die Biologen fasziniert hat, ist, wie Ameisen diese Netzwerke aufbauen. Sie wissen seit einiger Zeit, dass Ameisen auf ihrer Reise kleine Pheromonablagerungen hinterlassen und dass andere Ameisen diesen Spuren folgen und ihre eigenen Ablagerungen hinterlassen. Dies erhöht die Konzentration des Pheromons und stärkt die Spur.
Aber der genaue Algorithmus, der die Reaktion von Ameisen auf Pheromone steuert, war schwieriger zu bestimmen. Viele Experimente zeigen, dass eine Spur nur dann verstärkt werden kann, wenn Ameisen eine überproportional höhere Wahrscheinlichkeit haben, einer Spur mit höherer Pheromonkonzentration zu folgen.
Biologen haben immer angenommen, dass diese unverhältnismäßige Reaktion bedeutet, dass Ameisen eine nichtlineare Reaktion auf die Chemikalie haben müssen. Mit anderen Worten, die Tendenz einer Ameise, sich einer Pheromonablagerung zuzuwenden, hängt nichtlinear mit der Konzentration zusammen.
Dies scheint jedoch im Widerspruch zu einem der großen Triumphe der experimentellen Biologie zu stehen – dem Weberschen Gesetz, das die wahrgenommene Intensität eines Reizes mit seiner physikalischen Größe in Beziehung setzt. Biologen wissen, dass dies für die menschliche Wahrnehmung vieler Reize, wie etwa die Intensität von Geräuschen, gilt und haben dies auch bei vielen Insekten nachgewiesen. Warum also nicht bei Ameisen?
Heute lösen Andrea Perna vom Complex Systems Institute of Paris Ile de France und ein paar Freunde das Problem. Diese Jungs haben eine völlig neue Methode zur Darstellung von Pheromonspuren entwickelt, die es ihnen ermöglicht, die Reaktion der Ameisen auf Pheromone detaillierter als je zuvor zu untersuchen.
Sie sagen, dass die Struktur von Ameisenspuren vollständig erklärt werden kann, wenn die Reaktion der Ameisen auf eine Pheromontröpfchenkonzentration linear ist. Eine Ameise wird sich im Verhältnis zum Unterschied zwischen dem Pheromon auf ihrer linken Seite und dem Pheromon auf ihrer rechten Seite nach links drehen, sagen Perna und Co.
Sie weisen auch darauf hin, dass genau dies das Gesetz von Weber voraussagt.
Woher kommt also die Nichtlinearität, die zum Erstellen von Pfaden erforderlich ist? Perna und Co. sagen, dass das Verhalten von Ameisen unweigerlich laut ist. Wir zeigen, dass die erforderliche Nichtlinearität nicht in der Wahrnehmungsreaktion der Ameisen liegt, sondern im Geräusch, das mit ihrer Bewegung verbunden ist, sagen sie.
Das ist ein faszinierendes Ergebnis, denn es zeigt, wie sich Komplexität in der Natur mit einfachsten Eingaben bildet.
Und es hat eindeutig Auswirkungen auf das Studium anderer komplexer Strukturen, die Ameisen erschaffen, wie zum Beispiel ihre Nester. Wie Ameisen diese riesigen, lebendigen Strukturen erschaffen, hat Biologen lange Zeit verwirrt.
Perna und Freunde deuten in ihrem Fazit auf eine Antwort hin. Wir können uns vorstellen, dass auch andere kollektive Phänomene, wie etwa Gruppenentscheidungen, auf der Kopplung zwischen dem Weberschen Gesetz und einfachen Rückkopplungsmechanismen beruhen könnten.
Im Fall von Nestern müsste dieser Mechanismus in drei statt in zwei Dimensionen wirken. Aber das sollte keine allzu große Herausforderung darstellen. Vielleicht ein Problem, das ein relativ einfaches Computermodell lösen könnte.
Ref: arxiv.org/abs/1201.5827 : Individuelle Regeln für die Bildung von Pfadmustern bei argentinischen Ameisen (Linepithema Humile)