Arbeitsteilung unter Insekten

Was Ameisen uns voraushaben – und den Robotern

Von Piotr Heller
21.08.2018
, 10:51
Das Kollektiv ist effektiver, wenn nicht alle gleich engagiert sind – jedenfalls solange es keinen Chef gibt wie bei Ameisen. Hier sind Vertreter der Art Lasius fuliginosus am Werk.
Ein Biomechaniker hat sich angeschaut, wie Ameisen ihre Arbeit organisieren. Ein Vorurteil über die Fleißarbeiter kann er nun ausräumen.

Herr Goldman, Sie haben in der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift „Science“ eine Studie darüber veröffentlicht, wie Rote Feuerameisen ihre Nester graben. Diese Tiere gelten als überaus fleißig. Sind Sie nach Ihren Experimenten auch noch dieser Meinung?

Ich würde jetzt sagen, jede Ameise hat zumindest die Fähigkeit, fleißig zu sein.

Wie kommen Sie als Physiker dazu, Ameisen beim Graben von Nestern zu beobachten?

Als Kind habe ich mich für Schlangen und Echsen interessiert, für Herpetologie. Später erschien mir das nicht sonderlich seriös, und ich habe Physik studiert. Zum Glück habe ich dann gelernt, dass es interessante biophysikalische Fragen zu verschiedenen Organismen gibt.

Welche Fragen sind das?

Wir beschäftigen uns damit, wie Tiere sich in komplexen Materialien bewegen. Da gibt es zum Beispiel Apothekerskinke, Echsen, die sozusagen im Sand schwimmen, oder Seitenwinder-Klapperschlangen. Seit gut acht Jahren erforschen wir auch Rote Feuerameisen, um zu verstehen, wie ein Kollektiv sich in komplizierter Umgebung fortbewegt.

Warum haben Sie sich dafür Rote Feuerameisen ausgesucht?

Daniel Goldman leitet das Labor für komplexe Fließkunde (Rheologie) und Biomechanik der School of Physics des Georgia Institute of Technology in Atlanta.
Daniel Goldman leitet das Labor für komplexe Fließkunde (Rheologie) und Biomechanik der School of Physics des Georgia Institute of Technology in Atlanta. Bild: Georgia Institute of Technology, Rob Felt

Es sind beeindruckende Tiere. Sie können in den unterschiedlichsten Böden metertiefe Nester graben. Außerdem sind sie einfach zu studieren. Hier in Georgia gehen wir einfach an den Straßenrand. Die Nester erkennt man an den Sandhaufen, welche die Ameisen beim Graben aufschütten. Dort sammeln wir sie ein.

Was machen Sie mit den eingesammelten Ameisen?

Wir haben bisher erforscht, wie sie durch ihre engen Tunnel krabbeln und dabei die Erde ausgraben. Einer unserer Studenten hat dann Ameisen-Roboter gebaut. Die hatten eine einfache Aufgabe: Fahre bis zum Ende eines schmalen Tunnels, sammele Material auf, komm raus und lege es ab. So machen das die echten Ameisen. Ein einzelner Roboter bekam das gut hin, zwei auch und drei ebenfalls. Aber schon mit vier Robotern war es unmöglich, es bildete sich sofort ein Stau.

Bei den Ameisen arbeiten viel mehr Tiere gleichzeitig, und es entsteht kein Stau. In Ihrer aktuellen Arbeit in „Science“ wollten Sie herausfinden, warum das so ist.

Als Erstes dachten wir, dass es Regeln dafür gibt, wie ein Individuum erkennt, dass sich ein Stau bildet, und daraufhin weggeht. Aber wir haben es einfach nicht geschafft, solche Regeln aufzustellen. Gleichzeitig begann eine unserer Postdoktorandinnen, Ameisen zu markieren. Sie konnte ihnen nicht einfach kleine QR-Codes aufkleben, wie man das bei Bienen macht – der Kleber brachte die Ameisen um. Also musste sie die Tiere mit Farben markieren. So konnten wir in unserem Experiment 30 Ameisen beim Graben beobachten und auseinanderhalten. Dabei haben wir festgestellt, dass eine kleine Gruppe den Großteil der Arbeiten am Tunnel erledigte. Die meisten Ameisen waren also gar nicht fleißig.

Wie haben sich die Ameisen die Arbeit aufgeteilt?

Etwa die Hälfte tauchte erst gar nicht beim Tunnel auf. Bei den anderen gab es Tiere, die zwar in den Tunnel gingen, aber dann sozusagen mit leeren Händen wieder rauskamen. Sie waren nicht am Graben beteiligt. Wir haben dann ausgerechnet, dass etwa 30 Prozent der Ameisen für 70 Prozent der Arbeit am Tunnel zuständig waren.

Waren das die besonders fleißigen Exemplare?

Das ist das Interessante. Wir dachten, es gibt einige, die einfach besser im Graben und Tragen sind. Aber in einem weiteren Experiment haben wir die Ameisen 24 Stunden lang graben lassen und dann die fünf aktivsten aus der Gruppe entfernt. Dabei hat sich gezeigt, dass der Tunnel genauso schnell vorankam, weil drei oder fünf Ameisen sich etwas mehr rangehalten haben. Es kommt eben darauf an, ob sich die Ameisen dafür entscheiden, fleißig zu arbeiten.

War diese Strategie, bei der ein kleiner Teil der Individuen einen großen Teil der Arbeit erledigt, denn der Grund dafür, dass es keine Staus gab?

Wir haben die Arbeit am Tunnel mit Computermodellen simuliert. Die Modelle sollten sich so optimieren, dass der Tunnel am schnellsten wächst. Sie haben dann gezeigt, dass diese Verteilung, bei der 30 Prozent der Ameisen 70 Prozent der Arbeit erledigen, optimal ist.

Warum ist das so?

Man kann es sich an einem Konzept aus der Verkehrsplanung veranschaulichen. Da gibt es das Fundamentaldiagramm des Verkehrsflusses. Damit beschreiben Ingenieure, wie sich der Verkehrsfluss zur Verkehrsdichte verhält. Wenn die Dichte zu klein ist, dann ist auch der Verkehrsfluss klein, denn es sind nicht viele Autos unterwegs. Wenn die Dichte aber zu hoch wird, sinkt der Verkehrsfluss ebenfalls, denn es gibt Stau. Es gibt eine optimale Verkehrsdichte, bei der alles am besten fließt. Die Ameisen arbeiten ziemlich genau in diesem Optimum.

Woher weiß jede Ameise, wie viel sie arbeiten soll?

Das ist ja das Erstaunliche. Es gibt ja kein zentrales Kommando, das ihnen Befehle gibt. Aber leider muss ich sagen, dass wir nicht wissen, wie sie das machen. Ich wünschte, wir hätten eine Möglichkeit, sie zu befragen. Aber derzeit versuchen wir mit den Robotern rauszufinden, wie es möglich ist, diese optimale Verteilung zu erlernen.

Was haben Sie also von den Ameisen bisher gelernt?

Folgendes: Wenn es keinen Chef gibt und viele Individuen, die eine eingeschränkte und begrenzte Aufgabe erledigen müssen, dann kann es die richtige Strategie sein, sich zurückzuhalten oder manchmal sogar gar nichts zu tun.

Ist das nicht auch eine interessante Lehre für unsere Gesellschaft, in der viele sich einem hohen Leistungsdruck ausgesetzt fühlen?

Ich weiß nicht, was wir daraus für die Gesellschaft lernen können. Wahrscheinlich gar nichts. Es sind schließlich Ameisen. Aber zum Beispiel für Gruppen von Robotern sind das wichtige Erkenntnisse. So etwas gibt es heute zwar noch nicht, aber man kann sich Schwärme von Robotern vorstellen, die nach einer Katastrophe im Geröll nach Überlebenden suchen. Oder denken Sie an Roboterschwärme, die auf einem anderen Planeten landen und sich dort eingraben müssen, um sich vor einem Sturm zu schützen.

Sehen Sie Ihre Ameisen jetzt mit anderen Augen?

Man hört ja immer, dass eine Einzelne Ameise relativ simpel und nur zu wenigem fähig ist. Aber nachdem ich sie mir genauer angeschaut hab, sehe ich, was für ein raffiniertes System jede einzelne ist. Sie ist unserer Ingenieurskunst in Sachen Fortbewegung, Sensorik und Materialverarbeitung weit überlegen. Und dann kommt noch hinzu, dass sie als Kollektiv ihre Aktivitäten so koordinieren können, dass sie der einzelnen Ameise und der Gruppe zugutekommen.

Quelle: F.A.S.
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