Von Punkt A nach Punkt B läuft die Ameise in einer geraden Linie? Es ist eigentlich Brownsche Bewegung

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Su Chengyu (populärwissenschaftlicher Autor)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Geheimnisse der Biowissenschaften zu entschlüsseln, hat das Spitzentechnologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Neues Wissen über das Leben“ veröffentlicht, die Lebensphänomene interpretiert und die Geheimnisse der Biologie aus einer einzigartigen Perspektive enthüllt. Tauchen wir ein in die Welt des Lebens und erkunden wir die unendlichen Möglichkeiten.

Ameisen sind seit jeher ein häufiger Gast in mathematischen Problemen, da sie immer von Punkt A nach Punkt B laufen und dann ihre kürzeste Gehstrecke berechnen müssen. Sie können auf einem Würfel, zwei Würfeln oder sogar einem Zylinder laufen ...

Die Prämisse zur Lösung des Problems basiert jedenfalls auf der Annahme, dass Ameisen in einer geraden Linie laufen. Aber laufen Ameisen in Wirklichkeit wirklich in einer geraden Linie? Bevor wir diese Frage beantworten, müssen wir zunächst das Thema auf die Wüste verlagern.

In der Wüste kann man sich am leichtesten verirren, denn außer Sand und Sonne gibt es kaum optische Orientierungspunkte. Das Gelände sieht größtenteils ähnlich aus, was die Richtungsbestimmung erschwert.

Ganz zu schweigen davon, dass in der Wüste starke Winde herrschen und der fliegende Sand nicht nur das Gelände verändert, sondern auch die Sicht behindert. Wind und Sand können außerdem die Spuren von Spaziergängen verwischen, sodass es für die Menschen schwierig wird, den Weg zurück zu finden.

Doch für die langbeinigen Wüstenameisen, die in den weiten Salzebenen Tunesiens leben, ist es eine Selbstverständlichkeit, den Weg zu finden. Denn wenn sie den Weg nicht finden, können sie in der Wüste nicht überleben und wären schon längst ausgestorben. Sie agieren normalerweise allein und gehen allein auf die Suche nach toten Insekten als Nahrung. Manchmal kann die Nahrungssuche mehrere zehn oder sogar hundert Meter weit reichen. Wenn es Nahrung gefunden hat, packt es diese mit dem Maul und schleppt sie zum Nest.

Langbeinige Wüstenameisen schleppen den Kadaver einer Spinne hinter sich her

(Bildnachweis: Harald Wolf)

Wie finden sie also den Weg nach Hause?

Bereits im Jahr 2000 begann Harald Wolf, die Navigation von Wüstenameisen zu untersuchen. Damals entdeckte Wolf, dass der Heimweg der Ameisen selten eine gerade Linie war.

Im Rahmen des Experiments wurden die Laufwege von fünf Wüstenameisen aufgezeichnet, als diese sich einer Nahrungsquelle näherten. Die roten Kreise zeigen die Standorte der Verpflegungspunkte an. Es ist zu erkennen, dass die Wege dieser Ameisen keine geraden Linien sind.

(Bildquelle: Referenz 1)

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Wüstenameisen, egal ob sie kopfüber laufen oder Nahrung rückwärts schleppen, eine graffitiartige, gekrümmte Flugbahn aufweisen (siehe Abbildung unten), die fast keinem Muster entspricht, außer dass die Bahnlinien beim Vorwärtslaufen etwas glatter aussehen.

Kurvenstrecke im Graffiti-Stil

(Bildnachweis: Harald Wolf)

Den Erkenntnissen des Artikels zufolge sind Wüstenameisen in der Lage, visuelle und Geruchssignale effektiv zu kombinieren, um Nahrungsquellen zu lokalisieren. Dies war nur das erste experimentelle Ergebnis. Nach 20 Jahren kontinuierlicher Forschung entdeckte Wolfe, dass die Navigationsfähigkeit von Wüstenameisen sehr komplex ist. Dabei handelt es sich nicht nur um einfache visuelle und Geruchshinweise, sondern auch um Pfadintegration und Solarnavigation.

Die wichtigste Navigationsmethode ist die Pfadintegration, und wir können uns diesen Prozess als eine Art „Ameisen-GPS“ vorstellen. Woher wissen Wissenschaftler das? Sie führten ein Experiment durch, um die Länge der Ameisenbeine zu verändern. Sie verlängerten die Beine einiger Ameisen und statteten sie mit „kleinen Stelzen“ aus, damit jeder ihrer Schritte größer sein konnte. Manche Ameisen reduzieren die Länge ihrer Beine, indem sie sie so kürzen, dass jeder Schritt, den sie machen, kleiner ist. Anschließend wurde Sand auf dem Versuchsfeld ausgestreut und die Laufwege der Ameisen aufgezeichnet. Wissenschaftler beobachteten und zeichneten die Wege der Ameisen auf, als sie von ihren Nestern zu ihren Nahrungsplätzen gingen.

Die Wege der Ameisen wurden mit Hochgeschwindigkeitskameras aufgezeichnet.

(Bildnachweis: Harald Wolf)

Wüstenameisen mit verlängerten und verkürzten Beinen

(Bildquelle: Referenz 4)

Die Wissenschaftler berechneten die Gesamtdistanz und -richtung der Ameisen, indem sie ihre Laufrichtung und die Anzahl ihrer Schritte aufzeichneten. Alle Laufwege der Ameisen werden synthetisiert, um die geradlinige Entfernung und Richtung ihrer Rückkehr zum Nest zu ermitteln. Sie stellten fest, dass sich der Ort, von dem die Ameisen zu ihren Nestern zurückkehrten, änderte, wenn ihre Schrittlänge verändert wurde. Dies lässt darauf schließen, dass Ameisen sich bei der Berechnung der zurückgelegten Entfernung auf die Anzahl der Schritte und die Schrittlänge verlassen.

Wolfe testet in der Wüste

(Bildquelle: Referenz 4)

Man kann sich eine Wüstenameise vorstellen, die ihr Nest verlässt, um nach Nahrung zu suchen. Auf der Suche nach Nahrung ging es zunächst 50 Schritte nach Osten, dann 30 Schritte nach Norden und schließlich 20 Schritte nach Westen. Sein Weg gleicht einem Zickzack. Jetzt ist es Zeit, nach Hause zu gehen, und es berechnet einen direkten Weg nach Hause, der beispielsweise 30 Schritte nach Süden und dann 30 Schritte nach Westen sein könnte.

Dies ist auch der direkte Grund, warum Wüstenameisen nicht geradeaus laufen können. Die Kombination und Interaktion mehrerer Navigationsmechanismen führt dazu, dass die Ameisen von der geraden Linie abweichen.

In neuesten Forschungsergebnissen haben Wissenschaftler herausgefunden, dass die Wege von Ameisen in manchen Fällen nicht nur keine geraden Linien, sondern auch gewunden und unregelmäßig sind und Merkmale zufälliger Bewegungen aufweisen, die der Brownschen Bewegung ähneln.

Versuchsgelände

(Bildnachweis: Harald Wolf)

Darüber hinaus maßen sie Änderungen der Wegwinkel, indem sie die Wege der Ameisen auf der Suche nach Nahrung und auf der Rückkehr zu ihren Nestern verfolgten und aufzeichneten. Sie teilten die Wege der Ameisen in kleine Abschnitte von jeweils etwa 50 Zentimetern Länge ein und maßen die Winkeländerungen zwischen den einzelnen Abschnitten. Wenn die Ameise beispielsweise zuerst nach Osten und dann nach Norden läuft, beträgt der Winkel zwischen den beiden Richtungen 90 Grad.

Der Weg der Ameise vom Startpunkt zum Endpunkt

(Bildquelle: Referenz 2)

Anschließend führten die Wissenschaftler eine statistische Analyse aller Winkel durch und berechneten den Durchschnitt und die Verteilung der Winkel. Die Ergebnisse zeigten, dass diese Winkel gleichmäßig zwischen 0 und 360 Grad verteilt waren, was darauf hindeutet, dass die Wege der Wüstenameisen zufällig sind, ähnlich der Brownschen Bewegung. Natürlich treten die Merkmale der Brownschen Bewegung bei Wüstenameisen nicht bei allen Suchaktionen auf, aber sie beginnen ihr Suchverhalten hauptsächlich dann, wenn sie das Ziel nicht finden können. Zu diesem Zeitpunkt weisen ihre Laufwege deutliche Merkmale der Brownschen Bewegung auf.

Bei Annäherung an das Ziel, also an das Nest und die Futterstelle, wird der Weg der Wüstenameisen langsam gerader. Mit anderen Worten: Wenn die Wüstenameisen einmal draußen sind, bewegen sie sich fast immer in zufälliger Brownscher Bewegung, und nur wenn sie Nahrung finden und sich in der Nähe ihres Zuhauses befinden, bewegen sie sich langsam in einer geraden Linie.

Im Jahr 2019 ließen sich französische Wissenschaftler von Wüstenameisen inspirieren und entwickelten einen Roboter namens AntBot, der ohne GPS autonom navigieren und den Weg zurück zur Basis finden kann. Der Roboter wiegt 2,3 Kilogramm und hat sechs Beine, sodass er sich auch in unebenem Gelände fortbewegen kann.

AntBot

(Bildquelle: sciencedaily)

AntBot ist mit einem optischen Kompass ausgestattet, der die Polarisation des Lichts am Himmel erfassen kann. Dieser Kompass kann bei klarem oder bewölktem Wetter die Richtung mit einer Genauigkeit von 0,4 Grad messen. Gleichzeitig ist der Roboter mit einem optischen Flusssensor zur Messung der Relativbewegung ausgestattet. Dieser Sensor berechnet die zurückgelegte Entfernung, indem er Änderungen in der Bodenbeschaffenheit beobachtet. Ähnlich dem Pfadintegrationsmechanismus von Ameisen zählt auch AntBot seine Schritte, um genau zu berechnen, wie weit er gelaufen ist.

In Experimenten konnte AntBot komplexe Umgebungen nach dem Zufallsprinzip erkunden und mit einer Fehlerquote von höchstens 1 cm präzise zu seiner Ausgangsposition zurückkehren. Wer hätte gedacht, dass Roboter eines Tages kein GPS mehr zur Navigation benötigen würden und all dies von winzigen Wüstenameisen inspiriert sein könnte.

Quellen:

[1]Wolf H, Wehner R. Lokalisierung von Nahrungsquellen: olfaktorische und anemotaktische Orientierung bei Wüstenameisen, Cataglyphis fortisJ. Journal of Experimental Biology, 2000, 203(5): 857-868.

[2] Wolf H, Baldy N, Pfeffer SE, et al. Geometrische mehrskalige Tortuosität der Laufbahnen von WüstenameisenJ. Journal of Experimental Biology, 2024, 227(10).

[3] Pfeffer SE, Wahl VL, Wittlinger M. Wie findet man rückwärts nach Hause? Fortbewegung und Koordination der Beine beim Rückwärtsgehen der Wüstenameisen Cataglyphis fortisJ. Journal of Experimental Biology, 2016, 219(14): 2110-2118.

[4] Gadagkar R. Wie man Experimente zum Verhalten von Tieren entwirft: 5. Wie schätzen Ameisen die zurückgelegte Distanz ein? J. Resonance, 2019, 24: 875-889.

[5] CNRS. „Der erste Laufroboter, der sich ohne GPS fortbewegt.“ ScienceDaily. ScienceDaily, 13. Februar 2019.

[6] TechXplore. „Der erste Laufroboter, der sich ohne GPS fortbewegt.“ 13. Februar 2019.