Gordon Dzemski

Im Schwarm zum kürzesten Weg

Ameisen folgen Signalstoffen anderer Ameisen und finden so den kürzesten Weg vom Nest zur Futterquelle.
1: Staatenbildende Ameisen finden über Pheromone den kürzesten Weg vom Nest zur Futterquelle., Grafik: © Ingrid Schobel

Gordon Dzemski

Von der Natur abgeschaut: Über Lösungsalgorithmen Alltagsprobleme lösen

Ein faszinierender Aspekt des Verhaltens einiger Tierarten ist die Schwarmbildung. Die damit verbundenen Vorteile für das Individuum sichern dem Einzelnen das Überleben. Sozial lebende Insekten sind als einzelnes Individuum stark in ihren Fähigkeiten begrenzt. Im Schwarm aber zeigen sie großartige Leistungen. Wie ist diese Schwarmintelligenz möglich und warum lässt sich das Verhalten für Lösungen in der digitalen Welt nutzen?

Ein Schwarm ist eine Anhäufung von gleichartigen Tieren. Heringe sammeln sich in Schwärmen. Sie können sich so viel energiesparender durch das Wasser bewegen. Auch bestimmte Vogelarten nutzen die Schwarmbildung. Wenn sie sich vor Greifvögeln schützen, schließen sie diese im Schwarm ein und bedrängen sie bis zur Flugunfähigkeit. Bei jeder Schwarmbildung können sich Strategien entwickeln, die das Überleben des einzelnen Individuums im Schwarm grundlegend sichern und sogar verbessern können (Brierley/Cox 2010). Viele Wissenschaftler sprechen auch sozial lebenden Tieren wie Ameisen oder Bienen intelligentes Verhalten zu, da sie emergente, neu herausgebildete Eigenschaften zeigen. Diese neuen Eigenschaften sind nicht aus dem Verhalten eines Individuums ableitbar, sondern das Ergebnis des Schwarms (Eriksson 2010).
Ein Beispiel macht deutlich, wie durch den Schwarm neue Verhaltensweisen entstehen können. Staaten bildende Ameisen schwärmen auf der Suche nach einer Futterquelle unkoordiniert vom Nest aus (Abb. 1A, B ). Sie hinterlassen auf ihrem Weg Duftstoffe: die Pheromone. Die Ameisen, die den kürzesten Weg zwischen dem Nest und Futter finden, nutzen diesen häufiger als andere Ameisen andere Wege. Auf diese Weise verstärkt sich die Duftspur auf dem kürzesten Weg (Millonas 1992). Infolgedessen werden mehr und mehr Ameisen auf den idealen Weg geleitet (Abb. 1C). So ist die kürzeste Strecke zwischen Nest und Futter gefunden, ohne dass die einzelne Ameise je von dem Problem „wusste. Diese Lösung sichert dem Ameisenstaat und damit jedem Individuum das Überleben. Das Schwarmverhalten folgt sehr einfachen, genetisch determinierten Regeln. Es gibt keine zentrale Steuerung. Vielmehr stehen die benachbarten Individuen durch Pheromone in einem Informationsaustausch, ohne dass das Individuum den gesamten Schwarm und die Umgebung im Blick hat. Diese einfachen Regeln ermöglichen dem Individuum, ein Teil des Schwarms zu sein und somit in der Summe Größeres zu leisten als in solitärer Lebensweise.
Mit diesem Verhaltensmuster lösen auch viele andere Tierschwärme emergent Probleme. Das einzelne Tier profitiert über den Schutz vor Fressfeinden, Energieeffizienz und leichter zu erreichendes Futter. Das bedeutet einen großen evolutiven Vorteil.
Von der Natur abgeschaut
Ausgehend vom biologischen Wissen um die Mechanismen zur Bildung, Aufrechterhaltung und Interaktion in Schwärmen konnten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in den letzten Jahrzehnten interessante technische Anwendungsbereiche ableiten. Die steigende Rechenleistung der Computerprozessoren in Verbindung mit dem Wissen um die Schwarmintelligenz ermöglichten mathematische Algorithmen, um fundamentale, aufwendig zu beschreibende Probleme in einer Vielzahl von zumeist industriellen Bereichen zu lösen. Logistische Planungsprobleme und kombinatorische Optimierungsprobleme können nun mittels digitaler Rechenleistung schneller gelöst werden (Weller 2015). Dafür müssen, wie in der Biologie, eine Vielzahl von Objekten, die ein Problem gemeinsam zu lösen versuchen, mit einfachsten Befehlen simuliert werden.
Das Handlungsreisendenproblem
Das Problem des Handlungsreisenden wird seit den 1930iger-Jahren in der Mathematik diskutiert. Die Aufgabe erscheint trivial: Finde den kürzesten verbindenden Weg zwischen zwei oder mehreren Punkten. Sei nur an dem ersten Punkt zweimal.
Computer, die Handlungsreisendenprobleme lösen sollen, müssen nach einer...

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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Biologie Nr. 459 / 2020

Verhalten ist individuell

Friedrich+ Kennzeichnung Unterricht (45-90 Min)