Die Forscher identifizierten einfache Verhaltensregeln, die es diesen winzigen Kreaturen ermöglichen, gemeinsam aufwendige Strukturen - Flöße und Türme - zu bauen, ohne dass jemand verantwortlich ist.
Woher wissen sie, was zu tun ist? Bild über Tim Nowack.
Von Craig Tovey, Georgia Institute of Technology
Lassen Sie einen Büschel mit 5.000 Feuerameisen in einen Wasserteich fallen. In wenigen Minuten wird der Klumpen flach und breitet sich zu einem runden Pfannkuchen aus, der wochenlang schwimmen kann, ohne die Ameisen zu ertrinken.
Lassen Sie denselben Ameisenhaufen in der Nähe einer Pflanze auf festen Boden fallen.
Sie klettern aufeinander zu einer festen Masse um den Pflanzenstamm in Form des Eiffelturms - manchmal bis zu 30 Ameisen groß. Der Ameisenturm dient als temporäres Lager, das Regentropfen abweist.
Hunderttausende Ameisen bauen gemeinsam einen Turm - aber wie? Bild über Candler Hobbs, Georgia Tech.
Wie und warum machen die Ameisen diese symmetrischen, aber sehr unterschiedlichen Formen? Sie sind darauf angewiesen, dass sie die Welt berühren und riechen - und nicht sehen -, damit sie nur das spüren können, was ihnen sehr nahe steht. Entgegen der landläufigen Meinung erteilt die Königin der Kolonie keine Befehle. Sie verbringt ihr Leben damit, Eier zu legen. Jede Ameise kontrolliert sich selbst, basierend auf Informationen aus ihrer unmittelbaren Umgebung.
Als Systemingenieur und Biologe bin ich fasziniert von der Effektivität der Ameisenkolonie bei verschiedenen Aufgaben, wie Nahrungssuche, Schwimmen auf dem Wasser, Kampf gegen andere Ameisen und Bau von Türmen und unterirdischen Nestern - alles von Tausenden von blinden Kreaturen, deren Gehirne es schaffen haben weniger als ein Zehntausendstel so viele Neuronen wie ein Mensch.
In früheren Untersuchungen haben mein Kollege David Hu und ich untersucht, wie diese winzigen Wesen ihren Körper zu wasserabweisenden Rettungsflößen verweben, die wochenlang auf Hochwasser schwimmen.
Jetzt wollten wir verstehen, wie sich dieselben Ameisen koordinieren, um sich an Land zu einer völlig anderen Struktur zusammenzuschließen - einem Turm aus hunderttausenden lebenden Feuerameisen.
Wie hilfreich sind Feuerameisen?
Die Hälfte der Ameisen hier in Georgia sind Feuerameisen, Solenopsis invicta. Um unsere Versuchspersonen zu sammeln, gießen wir langsam Wasser in ein unterirdisches Nest und zwingen die Ameisen an die Oberfläche. Dann fangen wir sie ein, bringen sie ins Labor und bewahren sie in Behältern auf. Nach einigen schmerzhaften Bissen lernten wir, die Mülleimer mit Babypuder zu füllen, um ein Entkommen zu verhindern.
Feuerameisen, die einen Turm um einen schmalen Pfosten bilden. Bild über Georgia Tech.
Um ihren Turmbau auszulösen, legten wir einen Ameisenhaufen in eine Petrischale und simulierten einen Pflanzenstamm mit einer kleinen vertikalen Stange in der Mitte. Das erste, was wir an ihrem Turm bemerkten, war, dass er oben immer schmal und unten immer breit war, wie die Glocke einer Trompete. Ein Haufen toter Ameisen ist konisch. Warum die Glockenform?
Unsere erste Vermutung, dass mehr Ameisen nach unten benötigt wurden, um mehr Gewicht zu tragen, erwies sich als richtig. Um genau zu sein, haben wir angenommen, dass jede Ameise bereit ist, das Gewicht einer bestimmten Anzahl anderer Ameisen zu tragen, aber nicht mehr.
Aus dieser Hypothese haben wir eine mathematische Formel abgeleitet, die die Breite des Turms als Funktion der Höhe vorhersagt. Nachdem wir Türme aus unterschiedlich vielen Ameisen vermessen hatten, bestätigten wir unser Modell: Ameisen waren bereit, das Gewicht von drei ihrer Brüder zu tragen - aber nicht mehr. Daher musste die Anzahl der in einer Schicht benötigten Ameisen dieselbe sein wie in der nächsthöheren Schicht (um das Gewicht aller Ameisen über der nächsten Schicht zu tragen), plus ein Drittel der Anzahl in der nächsten Schicht (um die nächste Schicht zu tragen) Schicht).
Später erfuhren wir, dass der Architekt Gustave Eiffel für seinen berühmten Turm dasselbe Prinzip der gleichen Tragfähigkeit anwendete.
Ring um die Stange
Als nächstes fragten wir, wie Feuerameisen den Turm bauen. Natürlich wissen sie nicht, wie viele Ameisen sie brauchen, um diese unverwechselbare Form zu schaffen. Und warum brauchen sie 10 bis 20 Minuten anstatt nur ein oder zwei Minuten, um ein Floß zu bauen? Wir brauchten sieben Versuchshypothesen über zwei frustrierende Jahre, um zu antworten.
Beobachten Sie, wie die Ameisen in Echtzeit einen Turm bauen.
Obwohl wir uns einen Turm aus horizontalen Schichten vorstellen, bauen die Ameisen den Turm nicht, indem sie die untere Schicht vervollständigen und jeweils eine vollständige Schicht hinzufügen. Sie können nicht im Voraus "wissen", wie breit die unterste Schicht sein muss. Es gibt keine Möglichkeit für sie, die Anzahl der Ameisen zu ermitteln, geschweige denn die Breite einer Schicht zu messen oder die erforderliche Breite zu berechnen.
Stattdessen heften sich Ameisen an der Oberfläche fest und verdicken so den Turm in allen Schichten. Die oberste Schicht wird immer auf der Schicht gebildet, die zuvor die oberste Schicht war. Da es am schmalsten ist, besteht es aus einem Ring von Ameisen um die Stange, die jeweils zwei horizontal benachbarte Ameisen umfassen.
Unsere wichtigste Beobachtung war, dass ein Ring, der die Stange nicht vollständig umgibt, andere Ameisen, die versuchen, einen weiteren Ring darauf zu bauen, nicht unterstützt. Nach der Messung der Ameisenhaftung und der Haftfestigkeit analysierten wir die Physik des Rings und stellten fest, dass ein vollständiger Ring 20- bis 100-mal stabiler ist als ein unvollständiger. Es sah so aus, als ob die Ringbildung der Engpass für das Wachstum des Turms sein könnte.
Diese Hypothese gab uns eine überprüfbare Vorhersage. Ein Mast mit größerem Durchmesser hat mehr zu füllende Ringplätze, sodass sein Turm langsamer wachsen sollte. Um eine quantitative Vorhersage zu erhalten, haben wir die Ameisenbewegungen mathematisch in zufälligen Richtungen über einen Abstand von etwa einem Zentimeter modelliert - genau wie in unserem Modell der Ameisenbewegung für die Ameisenfloßbildung.
Dann filmten wir Nahaufnahmen von Ameisen, die sich an Orten auf dem Ring bewegten. Basierend auf über 100 Datenpunkten haben wir eine starke Bestätigung für unser Modell der Ringfüllung erhalten. Als wir Turmbauversuche mit einer Reihe von Mastdurchmessern durchführten, wuchsen die Türme um Masten mit größerem Durchmesser langsamer, mit einer Geschwindigkeit, die unseren Vorhersagen ziemlich gut entsprach.
In Zeitlupe versinken
Es gab eine große Überraschung. Wir dachten, als der Turm fertig war, war das alles, was es gab. In einem unserer Experimente ließen wir die Videokamera jedoch versehentlich eine weitere Stunde laufen, nachdem der Turm gebaut worden war.
Der damalige Doktorand Nathan Mlot war ein zu guter Wissenschaftler, um nur Beobachtungsdaten zu verwerfen. Aber er wollte keine Stunde damit verschwenden, dass nichts passierte. Also schaute er das Video mit 10x normaler Geschwindigkeit an - und was er sah, war erstaunlich.
Zeitraffervideo eines Ameisenturms.
Bei 10-facher Geschwindigkeit bewegen sich die Oberflächenameisen so schnell, dass der Turm darunter sichtbar wird und der Turm langsam sinkt. Es passiert viel zu langsam, um es bei normaler Geschwindigkeit zu erkennen.
Wir beobachteten die unterste Turmschicht von unten durch die transparente Petrischale. Die Ameisen bilden dort Tunnel und verlassen den Turm nach und nach. Sie huschen dann über die Turmoberfläche, bis sie sich schließlich einem neuen oberen Ring anschließen.
Wir konnten die Ameisen tief im Turm nicht sehen. Sinkt der gesamte Turm oder nur seine Oberfläche? Wir hatten den Verdacht, dass sich Ameisen in Klumpen und Flößen zu einer Masse zusammenschließen.
Wir engagierten Daria Monaenkova, die gerade eine neuartige 3D-Röntgentechnik erfunden hatte. Wir haben einige Ameisen mit radioaktivem Jod dotiert und sie verfolgt. Jede aufgespürte Ameise im Turm sank.
Röntgenaufnahmen zeigen, dass Ameisen (schwarze Punkte) an den Seiten des Turms entlang laufen und erst dann sinken, wenn sie die Säule erreichen.
Das vielleicht bemerkenswerteste Ergebnis dieser Untersuchung ist, dass die Ameisen nicht wissen müssen, ob sie sich alle gleich verhalten. Anscheinend folgen sie denselben einfachen Bewegungsregeln: Wenn sich Ameisen über Ihnen bewegen, bleiben Sie an Ort und Stelle. Wenn nicht, bewegen Sie sich nach dem Zufallsprinzip und halten Sie nur an, wenn Sie einen freien Bereich erreichen, der an mindestens eine stationäre Ameise angrenzt.
Sobald der Turm gebaut ist, zirkulieren die Ameisen durch ihn und behalten dabei ihre Form bei. Wir waren überrascht; Wir dachten, die Ameisen würden aufhören, ihren Turm zu bauen, sobald seine Höhe maximal war. Zuvor, als wir das Ameisenfloß studierten, waren wir in umgekehrter Weise überrascht. Wir dachten, die Ameisen würden durch das Floß zirkulieren, um sich abwechselnd auf dem Grund unter Wasser aufzuhalten. Stattdessen können Ameisen am Boden wochenlang an Ort und Stelle bleiben.
Craig Tovey, Professor für Industrial & Systems Engineering und Co-Direktor des Zentrums für biologisch inspiriertes Design, Georgia Institute of Technology
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.