Ein Ameisennest kann wie eine Ansammlung winziger Körper aussehen, die sich unabhängig voneinander bewegen.
Doch hin und wieder geschieht etwas Erstaunliches: Fast augenblicklich wird der Großteil der Kolonie aktiv.
Auf diese plötzlichen Aktivitätsausbrüche, die als Aktivitätsspitzen bezeichnet werden, folgen Perioden relativer Ruhe.
Wissenschaftler vergleichen diese Lichtblitze mit Phasenübergängen physikalischer Systeme und beobachten sie seit Jahrzehnten, aber wie ist das möglich? viele Ameisen Synchronisieren ohne Anführer bleibt unklar.
Ein neues mathematisches Modell, das in einer in der Zeitschrift veröffentlichten Studie beschrieben wird. PRX Leben , Dies deutet darauf hin, dass Ameisenkolonien nach Erreichen eines kritischen Punktes plötzlich beginnen, sich zu synchronisieren.
Bis zu diesem Zeitpunkt bewegen sich die Ameisen unabhängig voneinander. Sobald die Kolonie diesen Bereich jedoch durchquert, kann eine einzelne Ameise eine Aktivitätswelle im gesamten Nest auslösen.
«Die Synchronisation ist nicht von einem bestimmten Individuum abhängig; jede Ameise kann als erste agieren», sagt der Biologe Simon Garnier vom New Jersey Institute of Technology in einem von der American Physical Society veröffentlichten Artikel.
Das Modell wurde in Zusammenarbeit mit Garnier, dem Maschinenbauingenieur Michael Napoli von der New York University und dem Stadtplanungsingenieur Maurizio Porfiri entwickelt.
«In unserem Modell hängt das Auftreten von Aktivitätsrhythmen eng von zwei Schlüsselfaktoren ab: Die Kolonie muss auf die Aktivität eines Individuums reagieren können – sensibel für soziale Ansteckung sein – und dieses Individuum muss die Aktivität viel schneller verbreiten als die Zeitspanne der Aktivitätsspitzen», sagte Napoli gegenüber ScienceAlert.
«Diese Entdeckung liefert Erkenntnisse über andere komplexe Systeme, in denen zwar Aktivitätsspitzen auftreten können, diese aber nicht aufrechterhalten werden, und das Fehlen einer dieser beiden Komponenten die Synchronisation stört.».
Ameisenkolonien enthalten eine überraschend hohe Anzahl inaktiver Arbeiterinnen, doch die Begegnung mit einer sich bewegenden Arbeiterin kann eine von ihnen dazu veranlassen, sich ebenfalls zu bewegen.
Bisherige Modelle stellten diese soziale Aktivität als Wahrscheinlichkeit dar. Das neue Modell berücksichtigt auch die für die Verbreitung der Aktivität notwendigen physischen Kontakte.
In diesem Modell wechseln Ameisen zwischen drei Zuständen: aktiv, inaktiv und stressresistent.
Aktive Ameisen bewegen sich und können andere Ameisen in ihrer Nähe mobilisieren. Inaktive Ameisen verharren regungslos, können aber zur Aktivität angeregt werden. Ruhige Ameisen bleiben ebenfalls regungslos und können vorübergehend nicht aktiviert werden, wodurch unkontrollierte Aktivitätsausbrüche verhindert werden.
Die Modellparameter basierten auf früheren Messungen.
Während der Simulation flaute die Aktivität ab und breitete sich dann wieder aus, wenn sich die Ameisen zu langsam bewegten oder zu selten aufeinandertrafen.
Doch wenn Geschwindigkeit, Dichte oder Reichweite der Interaktionen einen kritischen Schwellenwert überschritten, wurden die Begegnungen so häufig, dass sich die Aktivität einer einzelnen Ameise in der gesamten Kolonie ausbreitete.
Napoli vergleicht diesen Effekt mit einem physikalischen Phasenübergang, etwa dem Gefrieren von Wasser, hebt aber eine wichtige Einschränkung hervor.
«Der Übergang entscheidet darüber, ob es zu einem Anstieg kommen wird, nicht darüber, ob es in der nächsten Zeitspanne zu einem Anstieg kommen wird», sagte er.
Das Modell kann daher nicht genau vorhersagen, wann eine ruhende Kolonie in einen aktiven Zustand übergeht. Es ermittelt lediglich, ob sich die Kolonie in einem Zustand befindet, der zu synchronisierten Aktivitätsausbrüchen fähig ist.
Wie kann sich die Aktivität einer einzelnen Ameise im gesamten Nest ausbreiten, bevor sie ausstirbt?
«Das ist vielleicht das interessanteste Ergebnis der Studie», sagte Napoli.
Frühere Studien haben gezeigt, dass Ameisenkolonien sich bei kollektiven Entscheidungen wie neuronale Netzwerke verhalten und ihre Aktionen bei der Reaktion auf Bedrohungen wie ein «Superorganismus» koordinieren können.
«Wir haben festgestellt, dass die Aktivitätsspitzen im Modell auf einen signifikanten Unterschied in der Zeitskala zwischen der Ameisenbewegung, die die Aktivität ausbreitet, und dem Zyklus der Verhaltensübergänge zurückzuführen sind, der die Spitzenperiode bestimmt», sagte Napoli.
«Diese Trennung der Zeitskalen schafft die notwendigen Bedingungen für das Fortbestehen von Aktivitätsausbrüchen und ist vergleichbar mit vielen kaskadierenden Entscheidungsprozessen in biologischen Systemen.».
Anders ausgedrückt: Interaktionen beschleunigen die Ausbreitung von Aktivitäten deutlich, schneller als der allgemeine Aktivitäts- und Ruhezyklus der Kolonie abläuft. Dadurch können Ameisen, ausgehend von einem einzelnen Individuum, ohne das Eingreifen eines Anführers von einer Kolonie zur anderen wandern.
Die simulierten Aktivitätsspitzen stimmten im Allgemeinen mit den Beobachtungen früherer Studien überein. Die neue Studie war jedoch eher mathematisch als experimentell ausgerichtet, und derzeit werden Versuche mit lebenden Ameisen durchgeführt.
«Derzeit werden Experimente durchgeführt und Daten analysiert, um das Modell anhand realer Daten zu testen.“ Daten über Ameisen»" Napoli sagte gegenüber ScienceAlert.
«Wir sind insbesondere daran interessiert, die Nähe der Kolonie zu einem Schwellenwert zu beurteilen, ab dem Aktivitätsspitzen als Plattform für eine extrem schnelle Verbreitung von Informationen innerhalb des Nestes dienen können.».
Die Ergebnisse könnten Aufschluss darüber geben, wie genau lebende Kolonien an dieser Schwelle arbeiten und ob Informationsschübe einen effizienten Informationsaustausch ermöglichen. Etwaige evolutionäre Vorteile bleiben unbekannt.
Siehe auch: Kakerlaken besitzen ein "kollektives Gedächtnis", das auf der Grundlage ihrer sozialen Bindungen gebildet wird.
Eine Studie aus dem Jahr 2023, die auf Modellrechnungen basierte, legte nahe, dass synchronisierte Bewegungen den Zugang in überfüllten Nestern verbessern könnten, indem sie die durch inaktive Ameisen verursachten Hindernisse verringern.
Eine Studie aus dem Jahr 2017 ergab jedoch, dass kurzfristige Aktivitätszyklen den Informationsaustausch behindern können, wenn synchronisierte Inaktivität die Ketten des physischen Kontakts zwischen den Arbeitern unterbricht.
Daher können Aktivitätsspitzen mit Kompromissen zwischen Bewegung, Kommunikation, Energieverbrauch und Arbeitsorganisation einhergehen.
Die Ergebnisse der Studie wurden veröffentlicht in PRX Life Magazin .
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