Wie viele Bienen passen in ein Röntgengerät? Forscher blicken in Schwärme hinein, um ihre Verbreitung genauer zu untersuchen

Forscher der CU Boulder haben zum ersten Mal Röntgen-Computertomographie (auch bekannt als CT-Scan) verwendet, um in Schwärme von Honigbienen zu blicken.

Die Scans bieten einen tieferen Einblick in diese bescheidenen Insekten: Bienen, so die entdeckte Gruppe, verklumpen sich nicht in einer zufälligen Gruppe. Stattdessen scheinen sie kuppelförmige Strukturen zu bilden, die überraschend ausgefeilten mathematischen Regeln oder dem, was Forscher ein „Skalierungsgesetz“ nennen, folgen. Die Ergebnisse könnten Ingenieuren eines Tages helfen, widerstandsfähigere Gebäude oder sogar Schwärme winziger Roboter zu entwerfen, die sich ähnlich wie Insekten verhalten, sagte der leitende Autor der Studie, Orit Peleg.

Und all das können Bienen erreichen, obwohl sie ein Gehirn von der Größe von Sandkörnern haben.

„Ich bin in Physik ausgebildet und diese Gesetze sind für mich nicht offensichtlich“, sagte Peleg, Assistenzprofessor am BioFrontiers Institute und Department of Computer Science an der CU Boulder. „Aber Bienen wissen irgendwie, wie sie sich anordnen müssen, um ihre mechanische Stabilität zu erhalten.“

Die Gruppe veröffentlichte ihre Ergebnisse am 17. Oktober in der Zeitschrift Wissenschaftliche Berichte.

Bienen dazu zu bringen, für ihre Röntgenaufnahmen still zu sitzen, erforderte einige Arbeit, bemerkte Olga Shishkov, Hauptautorin der Studie und Postdoktorandin im Peleg Lab bei BioFrontiers.

Zunächst verließen sich die Forscher auf Honigbienenköniginnen, um Tausende von Arbeiterbienen zu überreden, sich im Labor zu Schwärmen zusammenzuschließen – diese Strukturen, die oft verkehrt herum hängen, sehen ein bisschen aus wie eine sich windende Wackelpuddingform. Dann drehte das Team diese Schwärme vor einem kleinen CT-Gerät, das ursprünglich für Tierkliniken entwickelt wurde.

Der Aufwand war erfolgreich: Die Methode der Gruppe ist so präzise, ​​dass man auf den 3D-Scans einzelne Bienen erkennen kann. Die Bilder könnten Wissenschaftlern ein neues Werkzeug an die Hand geben, um zu verstehen, wie Bienen und andere soziale Insekten solche sich verändernden „Superorganismen“ erschaffen.

„Eine Sache, die wir wissen wollen, ist, wie die Bienen auf unterschiedliche Temperaturen reagieren“, sagte Shishkov. „Wenn es draußen kalt ist, wie halten sie das Innere des Schwarms warm? Wenn es heiß ist, wie bleiben sie kühl?“

Hineinschauen

Es beginnt mit einer unerschrockenen Reise: Peleg erklärte, dass Bienenköniginnen wegfliegen, wenn die Honigbienenstöcke zu voll werden, um einen anderen Ort zum Leben zu suchen. Die Königinnen bringen Tausende von Arbeitsbienen mit, die sich gelegentlich um die Königin scharen, um sie zu beschützen – ein summendes, wogendes Sicherheitsdetail.

„Sie können diese Schwärme an fast jeder Art von Oberfläche hängen sehen, von Bäumen über Bänke bis hin zu Autos“, sagte Peleg. „Sie sind großartige kleine Versammlungen.“

Sie sind auch wirklich flexibel. In einer früheren Studie schüttelten Peleg und ihre Kollegen beispielsweise Bienenschwärme, um zu versuchen, die Kraft eines Windstoßes nachzuahmen. Als Reaktion darauf flachten sich die Bienen in eine Pfannkuchenform aus und halfen ihnen, inmitten des Tumults stabil zu bleiben.

Eines ist Pelegs Team jedoch entgangen: „Bis jetzt konnten wir nicht in einen Schwarm hineinschauen und sehen, was passiert.“

Legen Sie das Gewicht auf mich

Zu diesem Zweck scannte die Gruppe, darunter die Studenten der CU Boulder, Claudia Chen und Claire Allison Madonna, 11 Bienenschwärme mit 4.000 bis 10.000 Insekten.

Nach den Berechnungen der Forscher funktioniert ein Bienenschwarm ein bisschen wie eine Cheerleader-Pyramide. Mehr Bienen sammeln sich um die Basis des Schwarms und werden dünner, je weiter sie nach oben kommen. Bienen scheinen sich auch so zu arrangieren, dass keine Schicht mehr als ihren gerechten Anteil an Gewicht tragen muss. Mathematisch ausgedrückt folgt die Struktur einem Skalierungsgesetz, bei dem jede Schicht ein Gewicht trägt, das ungefähr ihrem eigenen Gewicht hoch eineinhalb entspricht.

„Was dieses Skalierungsgesetz bedeutet, ist, dass jede Schicht die gleiche Menge ihrer verfügbaren Stärke verbraucht wie jede andere Schicht“, sagte Shishkov.

In derselben Studie testeten Shishkov und ihre Kollegen Bienen, um zu berechnen, wie viel Gewicht eine einzelne Honigbiene tragen könnte. Wie sich herausstellt, kann eine Biene im Durchschnitt etwa 35 andere Bienen heben. Bienen in einem Schwarm heben nur maximal etwa vier andere Bienen hoch.

Skalierungsgesetze wie die, die das Team entdeckt hat, sind in der Natur weit verbreitet, erklärte der Co-Autor der Studie, Kaushik Jayaram. Bei menschlichen Gewichthebern variiert beispielsweise die Anzahl der Hanteln, die Sie heben können, je nachdem, wie viel Sie wiegen – eine Beziehung, die einer überraschend konsistenten mathematischen Formel folgt.

„Die gleichen Gesetze gelten anscheinend für Bienen“, sagte Jayaram, Assistenzprofessor am Paul M. Rady Department of Mechanical Engineering. „Die Existenz dieses Skalierungsgesetzes deutet darauf hin, dass es möglicherweise allgemeine Organisationsprinzipien für Strukturen wie diese gibt, von denen wir noch nichts wissen.“

Shishkov ihrerseits genoss die Arbeit mit den Bienen – ohne Honigvorräte zum Schutz stachen die kleinen Insekten sie nicht (zu sehr).

„Sie sind in einem Schwarm überraschend freundlich“, sagte Shishkov.