Pflegen oder nicht pflegen? „Triage“ im Ameisenreich

Soziale Ameisen sind Meister der kooperativen Krankheitsabwehr. Sie kümmern sich gemeinsam umeinander, um die Ausbreitung von Infektionen innerhalb einer Kolonie zu verhindern. Aber woher weiß eine einzelne Ameise, wen sie pflegen soll? Ein multidisziplinäres Forscherteam des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) und der Comenius-Universität Bratislava kombinierte experimentelle und theoretische Ansätze, um einen detaillierten Einblick in die gesundheitliche Entscheidungsfindung von Ameisen zu erhalten.

Ameisen sind ein perfektes Modell für die Untersuchung der Zusammenarbeit, insbesondere wenn es darum geht, die Ausbreitung von Krankheiten zu verhindern. Ähnlich wie in einem Krankenhaus kümmern sich Gesunde um Kranke. Während jedoch ein Krankenhaus Triage-Regeln festgelegt hat, um zu bestimmen, wer zuerst behandelt werden soll, waren die individuellen Entscheidungen, die letztendlich die kollektive Hygiene einer Ameisenkolonie bestimmen, unklar. Bis jetzt.

Um die Entscheidungsfindung einer einzelnen Ameise bei der Behandlung von Koloniemitgliedern zu entschlüsseln, haben sich die Experimentalbiologin Sylvia Cremer und ihr Forschungsteam am ISTA mit dem Kollegen und theoretischen Physiker Gašper Tkačik und der Mathematikerin Katarína Boďová von der Comenius-Universität in Bratislava zusammengetan. In ihrer in der Zeitschrift veröffentlichten multidisziplinären Studie NaturkommunikationMithilfe von Gartenameisen und Pilzkeimen untersuchten die Wissenschaftler, welche Informationen Ameisen bei ihren individuellen Pflegeentscheidungen berücksichtigen.

Die Beobachtung des Verhaltens der Ameisen und die Analyse der Sporenlast – der Menge an Pilzsporen – jedes einzelnen Koloniemitglieds im Laufe der Zeit ergaben, dass Ameisen bei der Fellpflege bevorzugt den ansteckendsten Nestkameraden angreifen. Darüber hinaus pflegen Ameisen andere Ameisen nicht unmittelbar nachdem sie selbst gepflegt wurden. Ameisen beurteilen daher nicht nur den Grad der Ansteckungsfähigkeit anderer, sondern reagieren auch sensibel auf das soziale Feedback, das sie von der Kolonie zu ihrer eigenen Ansteckungsfähigkeit erhalten. Diese einzigartige Kombination einfacher Regeln führt dazu, dass die am stärksten infektiösen Koloniemitglieder von den am wenigsten infektiösen Koloniemitgliedern gepflegt werden, was zu einer hocheffizienten Krankheitsbekämpfung auf Kolonieebene führt.

Um diese Regeln zu verdeutlichen, setzten die Wissenschaftler Ameisen in eine Versuchsumgebung mit zwei Koloniemitgliedern, von denen jedes auf seiner Außenseite eine unterschiedliche Menge an Pilzsporen trug. Die Pflegeameisen könnten dann entscheiden, wie sie ihre Gesundheitsfürsorge zwischen den beiden Nestkameraden der Kolonie verwalten. Nach sorgfältigen Verhaltensbeobachtungen hat Barbara Casillas, frühere Ph.D. Ein Student der Cremer-Gruppe entdeckte ein faszinierendes Phänomen im Putzverhalten der Ameisen.

Ameisen zielen bevorzugt auf die Individuen ab, die die meisten Sporen in sich tragen, also die Individuen, die das größte Krankheitsrisiko für die Kolonie darstellen. „Ameisen wählen normalerweise diejenige mit der aktuell höchsten Sporenbelastung aus, obwohl sich die Sporenbelastung durch die Fellpflege selbst ständig ändert“, erklärt Cremer. „Dadurch können die Ameisen dynamisch auf Veränderungen der Krankheitsgefahr reagieren.“

Theorie zum Verständnis des Ameisenverhaltens

Allerdings haben experimentelle Ansätze ihre Grenzen. Die Wissenschaftler konnten beobachten, was Ameisen tun, konnten aber nicht entschlüsseln, warum sie es tun. Die individuelle Entscheidungsfindung, die das Gruppenverhalten prägt, blieb eine Black Box. Die Mathematikerin Katarína Boďová, Assistenzprofessorin an der Comenius-Universität, und Gašper Tkačik, theoretischer Physiker am ISTA, stellten sich gemeinsam der Herausforderung.

Gemeinsam hat das Team herausgefunden, welche Informationen die Ameisen bei ihren Entscheidungen darüber nutzen, wann sie mit der Körperpflege beginnen und wen sie angreifen. Boďová erklärt: „Die Ameisen befolgen eine einfache ‚Faustregel‘: Wenn sie einer anderen Ameise mit vielen Sporen begegnen, ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass sie diese Ameise pflegen.“ Das bedeutet, dass sich die Ameisen nicht an die Sporenlast aller Koloniemitglieder erinnern müssen, sondern sich nur auf die Informationen verlassen können, die sie durch den Kontakt mit den Ameisen in ihrer Umgebung sammeln.

Dennoch ist das System nicht perfekt. Manchmal pflegen die Ameisen auch das weniger ansteckende Individuum. Aber die vielen kleinen Tendenzen, Ameisen von allen Koloniemitgliedern mit einer größeren Menge infektiöser Pilze zu pflegen, führen zu einer klaren Entscheidung und einer effizienten Reinigung auf Kolonieebene. Die Ameisen können auf minimale Unterschiede in der Sporenbelastung reagieren, treffen aber Entscheidungen, die genauer sind, wenn die Diskrepanz größer ist.

„Wir wissen immer noch nicht, wie die Ameisen den Unterschied in der Sporenbelastung wahrnehmen. Vielleicht haben die ansteckenderen Ameisen einen stärkeren Pilzgeruch“, vermutet Cremer. Die aktuelle Veröffentlichung der Gruppe legt nahe, dass Ergosterol – eine essentielle Membranverbindung, über die alle Pilze verfügen – ein möglicher Hinweis für die Pilzerkennung sein könnte.

Infektiöse Ameisen beteiligen sich nicht an der Fellpflege

Die theoretischen Ansätze zeigten auch, dass ein weiterer wichtiger Faktor für die Fellpflege einer Ameise relevant ist: die Sensibilität der Ameise gegenüber sozialen Hinweisen ihrer Nestkameraden. Cremer erklärt es als eine soziale Rückkopplungsschleife, die hochinfektiöse Personen daran hindert, sich um andere zu kümmern, und dadurch das Risiko einer Ausbreitung der Krankheit während der Pflege begrenzt.

Diese Veröffentlichung ist mehr als nur eine interessante Beobachtung des Verhaltens von Ameisen. Sie versucht vielmehr, die individuelle Entscheidungsfindung innerhalb der Kolonie zu verstehen. Cremer fasst zusammen: „Durch die Zusammenarbeit mit unseren Kollegen aus der theoretischen Wissenschaft ist es uns gelungen, die Blackbox der individuellen Entscheidungsfindung in der sozialen Immunität und der kooperativen Krankheitsabwehr zu öffnen.“