Ameisen nutzen Mathematik bei der Futtersuche

In unserer Umwelt gibt es nach wie vor unzählige Erscheinungen und Geschehnisse, die sich der Wissenschaft noch nicht ganz erschließen. Es ist beispielsweise noch nicht bekannt, wie Vögel oder Fische es schaffen, sich innerhalb von Schwärmen so gut zu organisieren. Um etwas Licht in das Dunkel zu bringen haben Forscher nun Ameisen beobachtet und deren Bewegungsabläufe analysiert.

Wie das Forschungsmagazin AlphaGalileo berichtet hat sich ein Forscherteam mit Mitgliedern aus den USA und aus Spanien genau angesehen, wie Ameisen bei der Nahrungssuche ihren Weg wählen und dabei Erstaunliches herausgefunden.

Die Wissenschaftler haben dazu die Bewegungsabläufe der Argentinischen Ameise unter die Lupe genommen. Auf einer Petrischale wurde beobachtet, wie sich diese Ameisen alleine und in der Gruppe verhalten, wenn sie unbekanntes Land erkunden oder auf Nahrungssuche sind. Anhand der erfassten Bewegungsprofile stellten die Forscher fest, dass den Bewegungen gewisse mathematische Regeln zugrunde gelegt werden können.

Bei einer Auswertung des Datenmaterials zeigte sich, dass auf die Bewegungsmuster die Regeln der Gauss- und der Pareto-Verteilung angewendet werden können. Bei beiden handelt es sich um Gesetzmäßigkeiten der Wahrscheinlichkeitsrechnung, die wesentlicher Bestandteil der Mathematik und somit auch unseres Alltags sind. Im Falle der Ameisen bestimmt sich durch die Wahrscheinlichkeitsverteilungen, wie stark die Route geändert werden soll und in welche Richtung.

Bekannt war bereits, dass Ameisen eine große Beharrlichkeit bei ihrer Wegfindung an den Tag legen. Soll heißen: Ameisen lassen sich auch nicht von Hindernissen von ihrem gewählten Weg abbringen. Aus anderen Studien wusste man, dass Ameisen Pheromonspuren hinterlassen, um sich und ihren Artgenossen zu helfen. So finden die kleinen Tierchen immer wieder zu einander und verlaufen sich nicht. Unklar jedoch war die Vorgehensweise auf unbekanntem Terrain.

Mittels der gewonnenen Erkenntnisse und unter Zugrundelegung der beiden Regeln der Wahrscheinlichkeitsrechnung waren die Forscher jetzt in der Lage, anhand einer Computersimulation ein Modell zu entwerfen. Im diesem zeigten sich dann stark verzweigte Muster. Bei genauerer Betrachtung wurde klar, dass diese Muster eine enorme Ähnlichkeit mit den Bewegungsprofilen der Ameisen aus der Petrischale aufwiesen.

María Vela Pérez, Wissenschaftlerin an der europäischen Universität in Madrid und Co-Autorin der Studie erhofft sich von den Erkenntnissen neue Impulse, auch für andere Forschungsgebiete. Sie könne sich beispielsweise vorstellen, dass es dank der Forschung möglich wird kleine Roboter zu entwerfen. Diese könnten dann wie eine Ameise programmiert werden, sodass Gruppen kleiner Roboter in der Lage wären, kontaminierte Areale zu säubern oder andere Arbeiten zu verrichten.

Außerdem besteht die Hoffnung – dank der Forschungsergebnisse – auch das Verhalten und die Bewegungen anderer Tierarten genauer verstehen zu können.

Ganz neu ist die Thematik dem Forscherteam nicht. Marco A. Fontelos, ein Mitarbeiter des mathematischen Instituts in Madrid, war bereits Co-Autor einer anderen Studie zur Fortbewegung der Ameisen. In dieser Studie analysierte er, wie sich die Fortbewegung der Ameisen ändert, wenn der Pheromonwert eine gewisse Grenze überschreitet. Dieses Modell beruht auf partieller Differentialgleichung.

Stolz verweisen die Autoren der Studie darauf, dass es sich um ein großartiges Beispiel interdisziplinärer Forschung handelt. Biologen erforschen die Tierwelt und gewinnen Erkenntnisse. Diese geben sie dann an Mathematiker und Physiker weiter, welche die Daten dann analysieren und ein Modell entwerfen. Im Idealfall gelingt es dann auch noch, das Modell in der Praxis zu testen und somit seine Richtigkeit zu beweisen.

„Dieser Typ Studie, mit der Erstellung eines Modells über die Organisation und Koordination tierischen Verhaltens ist ein klares Beispiel für interdisziplinäre Zusammenarbeit.“ so Pérez.

Die Argentinische Ameise stammt ursprünglich, wie der Name vermuten lässt, aus Südamerika. Allerdings wurde sie im Laufe der Zeit nahezu in die gesamte Welt verteilt, wo sie sich hervorragend vermehren und verbreiten kann. Dabei geht die Art sehr invasiv vor und bildet Superkolonien, um sich gegen andere, heimische Arten durchzusetzen. In Südamerika, wo die Ameisen eigentlich beheimatet sind konnten, solche Superkolonien übrigens nicht beobachtet werden.

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