Wenn Sie durch ein unbekanntes Lebensmittelgeschäft schlendern, gehen Sie möglicherweise methodisch jeden Gang entlang, um sicherzustellen, dass Sie alles finden, was Sie brauchen, ohne denselben Weg zweimal zu kreuzen. Manchmal weichen Sie von diesem geordneten Prozess ab, beispielsweise wenn Sie ein leuchtendes „Zu verkaufen“-Schild auf der anderen Seite des Ladens sehen oder feststellen, dass Sie etwas vergessen haben. Laut einer Studie unter der Leitung von Forschern der University of Arizona gehen einige Ameisen auf der Suche nach Nahrung und Unterschlupf auf ähnliche Weise vor.
In einer kürzlichen Papier in der Zeitschrift veröffentlicht iWissenschaft, Forscher von UArizona fanden heraus, dass, wenn eine Kolonie von Steinameisen in einer ungewohnten Umgebung im Labor platziert wird, die Ameisen auf eine Weise wandern, die nicht so zufällig ist, wie bisher angenommen. Die Ameisen folgten einem systematischen Mäandermuster, kombiniert mit zufälligen Bewegungen – eine Methode mit dem Potenzial, die Erkundung ihrer natürlichen Umgebung zu optimieren.
„Bisher gingen Forscher auf diesem Gebiet davon aus, dass sich Ameisen auf der Suche nach Zielen, deren Standort sie nicht kennen, auf einem reinen Zufallsweg bewegen“, sagte Stefan Popp, der Erstautor der Arbeit und Doktorand am Department of Ecology and UArizona Evolutionsbiologie. „Wir haben festgestellt, dass Steinameisen ein auffälliges, regelmäßiges Mäandermuster zeigen, wenn sie die Gegend um ihre Nester erkunden.“
In Arizona nisten diese Ameisen zwischen oder unter Felsen in Gebieten über 7000 Fuß. Diese sich langsam bewegenden Lebewesen sind nur etwa halb so lang wie ein mittelgroßes Reiskorn.
Die Studie stellt fest, dass das mäandernde oder zickzackförmige Laufmuster der Ameisen ihre Suche effizienter machen kann als eine rein zufällige Suche. Denn die Ameisen können in kürzerer Zeit ein großes Gebiet erkunden, da sie seltener ihre eigenen Wege kreuzen.
„Diese Ameisen bilden keine offensichtlichen Nahrungsspuren wie viele Ameisen, mit denen wir vertraut sind“, sagte Popp. „Stattdessen hängt die Kolonie davon ab, dass einzelne Sammler Ressourcen finden, was ihre Suchstrategie zu einem entscheidenden Teil des Kolonieerfolgs macht.“
Den Forschern zufolge könnte sich der bei diesen Felsenameisen gefundene evolutionäre Vorteil des Mäanderns möglicherweise auch bei anderen Insekten- und Tierarten entwickelt haben. Die Bewegung der Ameisen könnte eines Tages genutzt werden, um das Design von autonomen Schwärmen von Robotern zu informieren, die Such- und Rettungsmissionen in Katastrophengebieten durchführen oder Landschaften auf anderen Welten erkunden.
Da es schwierig ist, Ameisen in ihrer natürlichen Umgebung aufzuspüren, sammelten Popp und sein Team Felsenameisenkolonien auf und um den Mount Lemmon nördlich von Tucson. Das Team brachte die Ameisen dann in das Labor und platzierte sie in einer geschlossenen Arena mit Papierboden. Das Gehege maß 2 mal 3 Meter – riesig im Vergleich zu den winzigen huschenden Ameisen.
Nachdem sie in ein neues Zuhause eingeführt worden waren, waren die Ameisen begierig darauf, es zu erkunden.
„Diese Ameisen haben möglicherweise das Gebiet nach anderen konkurrierenden Ameisen patrouilliert“, sagte Popp und erklärte, dass es einen selektiven Druck gibt, andere Ameisen davon abzuhalten, in ihr Nest einzudringen. „Möglicherweise haben sie auch nach Nahrung und neuen Nistplätzen gesucht.“
Die Forscher bemerkten bald das Mäandermuster der Ameisen, als sie herumliefen. Es stellte sich sofort die Frage: Waren diese Muster nur zufällige Schnörkel oder bewegten sich die Ameisen auf methodische, nicht zufällige Weise?
Um diese Frage zu beantworten, richteten die Forscher Kameras ein und verwendeten automatische Tracking-Software, gekoppelt mit manuellen Korrekturen, um die individuellen Wege jedes marschierenden Insekts über einen Zeitraum von fünf Stunden zu verfolgen. Die Wanderungen der Ameisen wurden dann mit simulierten Ameisen verglichen, die auf zufällige Weise gingen.
„Wir haben untersucht, ob die Richtung, in die sich eine Ameise bewegt, in irgendeiner Weise von der Richtung abhängt, in die sie sich zuvor bewegt hat“, sagte die Co-Autorin der Studie, Anna Dornhaus, Professorin am Department of Ecology and Evolutionary Biology der UArizona. „Diese Methoden halfen uns zu erkennen, dass das Suchverhalten der Ameisen nicht völlig zufällig war, wie Biologen zuvor angenommen hatten.“
Mit anderen Worten, die Forscher verwendeten Statistiken, um festzustellen, dass die Richtung, in die sich eine Ameise drehte, direkt mit den vorherigen Drehungen korrelierte.
„Unsere Forschung hat gezeigt, dass die Ameisen auf einer relativ regelmäßigen Längenskala von ungefähr drei Körperlängen sanft nach links und rechts abwechseln“, sagte Popp ein mäandrierender Fluss im Amazonasbecken. Ich bin davon fasziniert und frage mich, wie die Ameisen dafür sorgen, dass sie sich nicht immer wieder den eigenen Weg kreuzen und trotzdem extreme Kurven und Schleifen fahren.“
Popp und Dornhaus stellten fest, dass sie nicht wissen, wie sich dieses Suchverhalten im Laufe des Lebens einer Ameise ändert, oder ob sich einzelne Ameisen dessen bewusst sind. Unabhängig davon kann die Kombination aus Mäandern und Zufälligkeit optimal für die Suche nach Ressourcen in einer unbekannten Umgebung sein. Der systematische Ansatz kann eine Ameise in der Nähe ihres Nestes halten, ohne auf zuvor erkundetem Boden hin und her zu gehen. Die hinzugefügte Zufälligkeit berücksichtigt Hindernisse, die mit einer unvorhersehbaren, natürlichen Umgebung einhergehen.
„Bisher war die Annahme weit verbreitet, dass freilaufende Tiere nicht in der Lage sind, methodisch nach neuen Ressourcen zu suchen“, sagt Popp. „Die meisten bisherigen Untersuchungen zum Suchverhalten konzentrierten sich nur auf Situationen, in denen das Tier bereits weiß, wohin es geht, wie zum Beispiel das Zurückgehen zum Nesteingang oder das Zurückgehen zu einer denkwürdigen Nahrungsquelle.“
„Basierend auf diesen Ergebnissen verwenden viele Tiere möglicherweise komplexe Kombinationen aus zufälliger und systematischer Suche, die die Effizienz und Robustheit in realen und komplexen Lebensräumen optimieren“, sagte Dornhaus. „Diese Entdeckung eröffnet eine ganz neue Sichtweise auf alle Tierbewegungen.“
Die Forscher glauben, dass ihre Entdeckung das Potenzial hat, verschiedene Wissenschaftsbereiche zu vereinen, darunter Biologie und Robotik. Die Wanderungen dieser Ameisen können Anwendungen für reale Umgebungen haben, in denen eine vollständig systematische Suche fehlschlagen würde, wenn sie auf ein Hindernis stoßen.
„Diese Entdeckung könnte möglicherweise zu Anwendungen für Robotiker führen, da sie Roboter so programmieren, dass sie sich zurechtfinden oder nach etwas suchen können“, sagte Dornhaus. „So können sie ihre Algorithmen robuster machen, damit sie nicht sofort versagen, sobald der Roboter seinen genauen Standort aus den Augen verliert.“
Mehr Informationen:
Stefan Popp et al, Ameisen kombinieren systematisches Mäandern und korrelierte Random Walks bei der Suche nach unbekannten Ressourcen, iWissenschaft (2023). DOI: 10.1016/j.isci.2022.105916