Was uns Ameisen über Systemstabilität lehren

Wanderameisen organisieren sich kollektiv zu komplexen, anpassungsfähigen Strukturen, ohne dabei kommunizieren zu müssen

26. April 2021

Eine neue Art von Kollektivverhalten bei Ameisen wurde von einem internationalen Forschungsteam entdeckt. Ameisen errichten aus ihren eigenen Körpern sogenannte „Gerüste“ (engl. „scaffolds“), um Oberflächen mit starker Neigung zu überqueren und dabei den Verkehrsfluss auf geneigten Flächen zu gewährleisten. Diese Gerüste entstehen nicht durch Kommunikation auf Ebene der Gruppe, sondern sind das Ergebnis der Wahrnehmungen und Entscheidungen einzelner Ameisen. Sie ermöglichen jedoch der Kolonie als Ganzes, sich dynamisch an unvorhersehbare Umweltbedingungen anzupassen. Die Forschungsarbeiten fanden unter der Leitung des Biologen Prof. Dr. Iain Couzin, einer der Sprecher des Exzellenzclusters „Centre for the Advanced Study of Collective Behaviour“ an der Universität Konstanz und Direktor am Max-Planck-Institut für Verhaltensbiologie, sowie von Matthew Lutz, Postdoc in Couzins Labor, statt.

Eciton Wandermeisen errichten aus ihren eigenen Körpern sogenannte „Gerüste“ (engl. „scaffolds“), um Oberflächen mit starker Neigung zu überqueren und dabei den Verkehrsfluss auf geneigten Flächen zu gewährleisten. © Matthew Lutz

Wer kennt diese Situation nicht? Man steht wegen einer Baustelle im Stau oder wollte mit dem Zug zur Arbeit, aber der ist ausgefallen. Ein Problem, das viele komplexe menschgemachte Systeme gemein haben, egal ob Verkehrsinfrastrukturen oder andere technische Systeme, ist ihre mangelnde Stabilität gegenüber äußeren Einflüssen. Sie sind häufig starr und unflexibel, und zentralisierte oder hierarchische Kontrollstrukturen machen sie anfällig für punktuelle Störungen. Biologische Systeme hingegen verwenden oft dezentrale Kontrollstrukturen und können erstaunlich unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen sein.

Um mehr über die Kontrollmechanismen zu erfahren, die der Stabilität und Widerstandsfähigkeit natürlicher Systeme zugrunde liegen, haben der Konstanzer Biologe Iain Couzin und sein Labor zusammen mit internationalen Kollegen aus Australien und den USA untersucht, wie Ameisen den Verkehrsfluss der Kolonie während der Nahrungssuche koordinieren. Ihre Studie, die in PNAS veröffentlicht wurde, beschreibt, wie sich Ameisen der Art Eciton burchellii auf geneigten Flächen selbst zu lebenden Hilfsstrukturen, sogenannten „Gerüste“, organisieren, um Verkehrsbehinderungen und Beuteverlust zu vermeiden.

Die Forschenden beschreiben für die Gerüstbildung einen Mechanismus, bei dem jede Ameise ihr Verhalten auf Basis ihrer eigenen Erfahrungen anpasst, ohne dass eine Kommunikation auf Gruppenebene erforderlich ist. Dieser einfache, aber effektive Mechanismus aus der Tierwelt könnte als Inspiration für künstliche Systeme dienen – von autonomen Fahrzeugen bis hin zu zukünftigen Formen flexibler Infrastrukturen, die sich selbständig an wechselnde Bedingungen anpassen.

Gefräßige Raubtiere und begnadete Architekten

Die Wanderameise Eciton burchellii. © James Herndon

Für ihre Studie reisten die Wissenschaftler nach Panama, wo die untersuchte Art – die Wanderameise Eciton burchellii – den tropischen Wald der Insel Barro Colorado bewohnt. Die Eciton Wanderameisen sind soziale Insekten und leben in großen Kolonien mit hunderttausenden von Arbeiterinnen. Tagsüber jagen sie in riesigen Schwärmen nach Beute und können dabei an einem einzigen Tag die Gesamtfläche von vier Tennisplätzen leerfegen. Zu den vielen evolutionären Anpassungen, die diese Ameisen zu einem der wichtigsten wirbellosen Raubtiere des Tropenwaldes machen, gehört ihre bemerkenswerte Fähigkeit, sich selbst zu lebenden Strukturen zu organisieren. Zum Wohle der Kolonie schließen sich einzelne Ameisen zusammen, um die Umgebung zu modifizieren und den Verkehrsfluss der Kolonie während der Jagd zu gewährleisten.

Die PNAS-Studie beschreibt nun eine bestimmte Art dieser aus lebenden Ameisen bestehenden selbstorganisierten Strukturen – von den Autoren der Studie als „Gerüste“ bezeichnet – erstmalig im Detail. Unter natürlichen Bedingungen bilden sich diese Gerüste, wenn die Ameisenstraßen von E. burchellii geneigte Oberflächen, wie Äste oder Felsen, kreuzen. Einzelne Ameisen halten dann an und krallen sich an der Oberfläche fest, um an Ort und Stelle zu verweilen. Mit ihren Körpern als „Gerüst“ bieten sie zusätzlichen Halt für weitere Ameisen, die ihren Weg fortsetzen und dabei über die unbeweglichen Artgenossen hinweg marschieren.

Die Gerüststrukturen sind sehr anpassungsfähig und nehmen je nach Anforderung unterschiedliche Formen und Größen an – von wenigen verstreuten Ameisen, die eine „Kletterwand“ bilden, bis hin zu dichten Ansammlungen von Ameisen, die eine Art hervorstehendes Regalbrett bilden. „Gerüste bilden sich als schnelle Reaktion auf Störungen und verhindern, dass die Ameisen auf der geneigten Fläche ausrutschen und fallen. Das ist besonders wichtig, wenn man gerade wertvolle Ressourcen, wie Beute, durch dichtes Gedränge transportiert und einen der Weg durch einen unberechenbaren Regenwald mit allerlei Arten von Hindernissen führt“, beschreibt Couzin.

Koordination auf Gruppenebene ohne Kommunikation

Um das kollektive Gerüstbauverhalten experimentell zu untersuchen, entwarfen die Autoren eine Vorrichtung, die es erlaubte, Schrägen mit definierter Neigung in die Straßen freilebender Ameisenkolonien zu setzen. Durch wiederholte Experimente mit unterschiedlichen Neigungswinkeln fanden die Forscher heraus, dass sich die Ameisen zuverlässig zu Gerüsten organisieren, wenn die Neigung der zu überquerenden Fläche einen Winkel von 40 Grad überschreitet. Je steiler der Winkel, desto mehr Ameisen rutschen anfangs aus oder fallen von der Plattform und desto größer wachsen die Gerüste. Sobald sich ein Gerüst gebildet hat – einige Minuten, nachdem die Ameisen mit dem Überqueren der Schräge begonnen haben – fällt die Zahl der rutschenden und fallenden Ameisen dank der entstandenen Hilfsstruktur auf ein niedriges Niveau zurück.

In Übereinstimmung mit ihren Feldbeobachtungen und unterstützt durch theoretische Modellierungen schlagen die Wissenschaftler einen überraschend einfachen Mechanismus für die Gerüstbildung vor: Wenn ein Tier auf einer schrägen Oberfläche ausrutscht und dann wieder Fuß fasst, hat es eine gewisse Tendenz, sich am Boden festzukrallen und an Ort und Stelle stehen zu bleiben. Dadurch beginnt es entweder den Bau einer neuen Struktur oder es schließt sich einem bestehenden Gerüst an. Je mehr Tiere dieses Verhalten zeigen, desto weniger rutschig wird die geneigte Oberfläche, da das Gerüst wächst. Schließlich hört die Struktur auf zu wachsen, weil die nachkommenden Ameisen das bestehende Gerüst nutzen können, um die geneigte Fläche ungehindert zu überqueren. „In gewisser Weise hat es selbst uns überrascht, wie einfach der Mechanismus ist. Wenn man solche kollektiven Phänomene zum ersten Mal beobachtet, denkt man intuitiv, dass es irgendeine Art von Kommunikation zwischen den Ameisen geben muss. In diesem speziellen Fall ist das aber gar nicht nötig. Jedes Individuum passt sein Verhalten anhand seiner eigenen Erfahrungen an, sobald es das Hindernis überquert“, erklärt Couzin.

Die Natur als Inspirationsquelle

Da die Komplexität menschlicher technischer und sozialer Systeme zunimmt, ist es entscheidend, Mechanismen zu finden und zu implementieren, die Fehler zuverlässig und schnell korrigieren und so die Systemstabilität erhöhen. Das Beispiel der Gerüstbildung bei Eciton Wanderameisen bietet einen solchen Mechanismus. Aufgrund seiner Einfachheit – es werden ausschließlich Informationen über den Zustand der einzelnen Elemente benötigt, statt komplexer Kommunikation auf Gruppenebene – könnte er als Blaupause für robuste und dennoch flexible technische Systeme mit ähnlichen Formen verteilter, sprich dezentraler Kontrollstrukturen dienen. Lutz, ein Architekt, dessen Faszination für selbstorganisierte Muster in der Biologie zu seiner Doktor- und Postdoc-Arbeit über kollektives Verhalten und Selbstorganisation im Labor von Iain Couzin führte, schlussfolgert: „Da der Mechanismus in Bezug auf Wahrnehmung und Kommunikation recht einfach ist, könnte er für Anwendungen auf vielen Ebenen und in verschiedenen Disziplinen nützlich sein. Das reicht von der Schwarmrobotik, wo Einschränkungen der Sensorik und Kommunikation limitierende Faktoren sein können, bis hin zur Entwicklung von selbstheilenden Materialien, Biofabrikationstechniken und neuen Modellen einer reaktionsfähigen Infrastruktur.“

Die Studie wurde von der National Science Foundation (NSF, USA), dem Office of Naval Research (ONR, USA), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG, Deutschland) im Rahmen der deutschen Exzellenzstrategie (EXC 2117; „Centre for the Advanced Study of Collective Behaviour“), der Max-Planck-Gesellschaft (MPG, Deutschland), dem Australian Research Council (ARC, Australien), dem Santa Fe Institute (USA) und dem Department of Ecology and Evolutionary Biology der Princeton University (USA) gefördert.

To learn more about the control mechanisms underlying stability and resilience in natural systems, Konstanz-based biologist Iain Couzin and his lab, together with international colleagues from Australia and the US, investigated how ants coordinate traffic during foraging. Their study, published in PNAS, describes how ants of the species Eciton burchellii organize into living architectural structures termed “scaffolds” on sloped surfaces, to avoid traffic disruption and conserve resources. The researchers propose a mechanism for scaffold formation in which each ant adjusts its behaviour based on its own experience, without a need for group-level communication. This simple but effective mechanism of proportional system control from the animal world may inspire designs for artificial systems, from autonomous vehicles to future forms of resilient infrastructure that respond to changing conditions.

Voracious predators and gifted architects

For their study, the scientists travelled to Panama, where the species under investigation – the army ant Eciton burchellii – inhabits the tropical forest of Barro Colorado Island. Eciton army ants are social insects, living in large colonies with hundreds of thousands of workers. During the day, they hunt for prey in massive swarm raids that can sweep out an area of four tennis courts in a single day. Among the many evolutionary adaptations that rank these ants among the top invertebrate predators in the tropical forest is their remarkable ability to self-organize into living architecture. For the benefit of the colony, individual ants join forces to temporarily modify the environment and ensure the flow of traffic during the colony’s hunts.

The PNAS study describes one type of architecture these ants construct – called “scaffolds” by the authors – for the first time in detail. Under natural conditions, scaffolds form when E. burchellii trails cross inclined surfaces, such as branches or rocks, and individual ants stop and cling to the surface, remaining fixed in place. The authors discovered that, in doing so, the ants provide additional grip for other ants, which continue along their path, marching over the immobile conspecifics.

Scaffolds were shown to be highly adaptable, growing to different shapes and sizes depending on the context – from just a few dispersed ants arranged like a climbing wall, to dense aggregations of ants forming a protruding shelf. “Scaffolds form rapidly in response to disruption, preventing ants from slipping and falling along the foraging trail. This is especially important when you are transporting valuable resources like prey through dense traffic, and your trail leads through an unpredictable rainforest environment with all kinds of slopes and obstacles,” Couzin describes.

Group-level coordination without communication

To experimentally investigate collective scaffolding behaviour, the authors designed an apparatus that allowed for the introduction of defined slopes into the raiding trails of wild ant colonies in the field. With repeated experiments on slopes of different angles, the researchers found the ants to reliably organize into scaffolds when crossing surfaces inclined more than 40 degrees. The steeper the slope, the more ants initially slipped or fell from the platform, and in response, the larger the scaffolds grew. Once a scaffold had formed – a few minutes after ants began crossing – the number of slipping and falling ants returned to a low level, thanks to the support structure.

In accordance with their field observations and supported by theoretical modelling, the scientists suggest a surprisingly simple mechanism for scaffold formation: When an animal slips on a sloped surface and then regains its footing, it has a certain probabilistic tendency to claw the ground and remain in place. In doing so, it either starts or joins a scaffold. The more animals show the behaviour, the less slippery the tilted surface becomes, as the scaffold grows. The structure eventually stops growing, because the trailing ants can use the existing scaffold to cross unhindered. “In a way it surprised even us how simple the mechanism is. If you observe these collective phenomena for the first time, you intuitively think that there has to be some sort of communication among the ants. However, in this particular case, there is no need for it. Each individual adjusts its behaviour based on its own experience as it crosses,” Couzin explains.

Taking inspiration from nature

As human technological and social systems increase in complexity, it is crucial to find and implement mechanisms that robustly and rapidly correct for errors, increasing stability. The example of scaffolding in Eciton army ants offers one such mechanism. Due to its simplicity – only requiring information about the state of individual elements instead of complex group-level communication – this may serve as a blueprint for robust yet flexible engineered systems with similar distributed forms of control. Lutz, an architect whose fascination with self-organized patterns in biology led to his PhD and postdoctoral research on collective behaviour and self-assembly in Couzin’s lab, concludes: “Because the mechanism is quite simple in terms of sensing and communication, it may be useful for applications at many scales, across disciplines. These range from swarm robotics, where restrictions on sensing and communication can be limiting factors, to the design of self-healing materials, bio-fabrication techniques, and new models of responsive infrastructure.”

The study received funding from the National Science Foundation (NSF, US), the Office of Naval Research (ONR, US), the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Germany) under Germany’s Excellence Strategy (EXC 2117; “Centre for the Advanced Study of Collective Behaviour”), the Max Planck Society (MPG, Germany), the Australian Research Council (ARC, Australia), the Santa Fe Institute (US), and Princeton University’s Department of Ecology and Evolutionary Biology (US).

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