Ameisenkolonien verhalten sich bei Entscheidungen wie neuronale Netze

Apr 29, 2023

Die Temperaturen steigen und eine Ameisenkolonie muss bald eine kollektive Entscheidung treffen. Jede Ameise spürt die steigende Hitze unter ihren Füßen, macht aber wie gewohnt weiter, bis die Ameisen plötzlich ihren Kurs ändern. Die ganze Gruppe stürmt gemeinsam hinaus. Es wurde eine Entscheidung zur Evakuierung getroffen. Es ist fast so, als ob die Ameisenkolonie einen größeren, kollektiven Geist hätte.

Eine neue Studie legt nahe, dass sich Ameisen als Gruppe tatsächlich ähnlich wie Neuronennetzwerke in einem Gehirn verhalten.

Daniel Kronauer von Rockefeller und Postdoktorand Asaf Gal entwickelten einen neuen Versuchsaufbau, um die Entscheidungsfindung in Ameisenkolonien akribisch zu analysieren. Wie in den Proceedings of the National Academy of Sciences berichtet, stellten sie fest, dass die Entscheidung einer Kolonie, wenn sie aufgrund steigender Temperaturen evakuiert wird, sowohl vom Ausmaß des Hitzeanstiegs als auch von der Größe der Ameisengruppe abhängt.

Die Ergebnisse legen nahe, dass Ameisen sensorische Informationen mit den Parametern ihrer Gruppe kombinieren, um zu einer Gruppenreaktion zu gelangen – ein Prozess, der neuronalen Berechnungen ähnelt, die zu Entscheidungen führen.

„Wir haben einen Ansatz entwickelt, um die Ameisenkolonie als ein kognitives System zu verstehen, das Eingaben wahrnimmt und sie dann in Verhaltensausgaben umwandelt“, sagt Kronauer, Leiter des Labors für soziale Evolution und Verhalten. „Dies ist einer der ersten Schritte, um wirklich zu verstehen, wie Insektengesellschaften kollektive Berechnungen durchführen.“

Auf der grundlegendsten Ebene läuft die Entscheidungsfindung auf eine Reihe von Berechnungen hinaus, die darauf abzielen, den Nutzen zu maximieren und die Kosten zu minimieren. Beispielsweise muss ein Tier bei einer gängigen Art der Entscheidungsfindung, die als Schwellenwert für sensorische Reaktionen bezeichnet wird, sensorische Eingaben wie Wärme erkennen, die über ein bestimmtes Maß hinausgehen, um ein bestimmtes kostspieliges Verhalten hervorzurufen, z. B. sich wegzubewegen. Wenn der Temperaturanstieg nicht groß genug ist, werden sich die Kosten nicht lohnen.

Kronauer und Gal wollten untersuchen, wie diese Art der Informationsverarbeitung auf der kollektiven Ebene abläuft, wo Gruppendynamiken ins Spiel kommen. Sie entwickelten ein System, mit dem sie eine Ameisenkolonie durch kontrollierte Temperaturerhöhungen gezielt stören konnten. Um die Verhaltensreaktionen einzelner Ameisen und der gesamten Kolonie zu verfolgen, markierten sie jedes Insekt mit verschiedenfarbigen Punkten und verfolgten ihre Bewegungen mit einer Tracking-Kamera.

Wie von den Forschern erwartet, evakuierten Kolonien mit einer festgelegten Größe von 36 Arbeiterinnen und 18 Larven ihr Nest zuverlässig, wenn die Temperatur etwa 34 °C erreichte. Dieser Befund macht intuitiv Sinn, sagt Kronauer, denn „wenn man sich zu unwohl fühlt, geht man.“

Die Forscher waren jedoch überrascht, als sie feststellten, dass die Ameisen nicht nur auf die Temperatur selbst reagierten. Als sie die Größe der Kolonie von 10 auf 200 Individuen vergrößerten, stieg die Temperatur, die erforderlich war, um die Entscheidung zur Räumung auszulösen. Kolonien von 200 Individuen beispielsweise hielten durch, bis die Temperaturen über 36 °C stiegen. „Es scheint, dass der Schwellenwert nicht festgelegt ist. Vielmehr handelt es sich um eine entstehende Eigenschaft, die sich je nach Gruppengröße ändert“, sagt Kronauer.

Einzelne Ameisen sind sich der Größe ihrer Kolonie nicht bewusst. Wie kann ihre Entscheidung also davon abhängen? Er und Gal vermuten, dass die Erklärung mit der Art und Weise zusammenhängt, wie Pheromone, die unsichtbaren Boten, die Informationen zwischen Ameisen weitergeben, ihre Wirkung verstärken, wenn mehr Ameisen anwesend sind. Mithilfe eines mathematischen Modells zeigen sie, dass ein solcher Mechanismus plausibel ist. Sie wissen jedoch nicht, warum größere Kolonien höhere Temperaturen benötigen würden, um einzupacken. Kronauer geht davon aus, dass es einfach sein könnte, dass die Umsiedlung umso schwieriger ist, je größer die Kolonie ist, was die kritische Temperatur erhöht, bei der Umsiedlungen stattfinden.

In zukünftigen Studien hoffen Kronauer und Gal, ihr theoretisches Modell des Entscheidungsprozesses in der Ameisenkolonie zu verfeinern, indem sie in weitere Parameter eingreifen und beobachten, wie die Insekten reagieren. Sie können beispielsweise den Pheromongehalt im Gehege der Ameisen manipulieren oder genetisch veränderte Ameisen mit unterschiedlichen Fähigkeiten zur Erkennung von Temperaturänderungen erzeugen. „Bisher ist es uns gelungen, das System zu stören und die Leistung genau zu messen“, sagt Kronauer. „Langfristig besteht die Idee darin, das System zurückzuentwickeln, um sein Innenleben immer detaillierter zu erschließen.“

– Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website der Rockefeller University veröffentlicht.