Ameisenkolonien verhalten sich bei Entscheidungen wie neuronale Netze

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

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

Daniel Kronauer von Rockefeller und Postdoktorand Asaf Gal entwickelten einen neuen experimentellen Aufbau, um die Entscheidungsfindung in Ameisenkolonien akribisch zu analysieren. Wie im berichtet Proceedings of the National Academy of Sciencesstellten sie fest, dass, wenn eine Kolonie aufgrund steigender Temperaturen evakuiert wird, ihre Entscheidung sowohl vom Ausmaß des Wärmeanstiegs als auch von der Größe der Ameisengruppe abhängt.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, 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 kognitiv ähnliches System zu verstehen, das Eingaben wahrnimmt und sie dann in Verhaltensausgaben übersetzt“, sagt Kronauer, Leiter des Labors für soziale Evolution und Verhalten. „Dies ist einer der ersten Schritte, um wirklich zu verstehen, wie sich Insektengesellschaften an kollektiven Berechnungen beteiligen.“

Ein neues Paradigma

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. Zum Beispiel muss ein Tier bei einer gängigen Art der Entscheidungsfindung, die als Schwellenwert für sensorische Reaktionen bezeichnet wird, sensorische Eingaben wie Wärme über ein bestimmtes Niveau hinaus erkennen, um ein bestimmtes kostspieliges Verhalten hervorzurufen, z. B. sich wegzubewegen. Wenn der Temperaturanstieg nicht groß genug ist, lohnt es sich nicht.

Kronauer und Gal wollten untersuchen, wie diese Art der Informationsverarbeitung auf kollektiver Ebene abläuft, wo Gruppendynamik ins Spiel kommt. Sie entwickelten ein System, mit dem sie eine Ameisenkolonie mit kontrollierten 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, verließen Kolonien einer festgelegten Größe von 36 Arbeiterinnen und 18 Larven zuverlässig ihr Nest, wenn die Temperatur um die 34 Grad Celsius erreichte. Diese Erkenntnis sei intuitiv sinnvoll, sagt Kronauer, denn „wenn es dir zu unbequem wird, gehst du.“

Die Forscher stellten jedoch überrascht fest, dass die Ameisen nicht nur auf die Temperatur selbst reagierten. Als sie die Größe der Kolonie von 10 auf 200 Individuen erhöhten, stieg die Temperatur, die erforderlich war, um die Entscheidung zum Verlassen auszulösen. Kolonien von 200 Individuen zum Beispiel hielten durch, bis die Temperaturen über 36 Grad stiegen. „Es scheint, dass die Schwelle nicht festgelegt ist. Vielmehr ist es eine emergente 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 damit zu tun hat, wie Pheromone, die unsichtbaren Boten, die Informationen zwischen Ameisen weitergeben, ihre Wirkung skalieren, wenn mehr Ameisen anwesend sind. Sie verwenden ein mathematisches Modell, um zu zeigen, dass ein solcher Mechanismus tatsächlich plausibel ist. Aber sie wissen nicht, warum größere Kolonien höhere Temperaturen benötigen würden, um einzupacken. Kronauer wagt, dass es einfach sein könnte, dass je größer die Kolonie ist, desto mühsamer ist es, umzuziehen, 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 sehen, wie die Insekten reagieren. Beispielsweise können sie den Gehalt an Pheromonen im Ameisengehege manipulieren oder genetisch veränderte Ameisen mit unterschiedlichen Fähigkeiten zur Erkennung von Temperaturänderungen erschaffen. „Was wir bisher tun konnten, war, das System zu stören und die Leistung genau zu messen“, sagt Kronauer. „Langfristig geht es darum, das System zurückzuentwickeln, um immer detaillierter auf sein Innenleben zu schließen.“