Mit dem Ohr am Bienenstock
Eine Honigbiene ist auf dem Weg zurück zum Bienenstock. Ihre Nahrungssuche lief nicht wie erhofft. Auf einem nahegelegenen Blütenfeld – eigentlich eine beliebte und sichere Sammelstelle für Nektar und Pollen – hatte sie eine unheimliche Begegnung: Eine Krabbenspinne kauerte gut getarnt zwischen den Blüten einer Goldrute und hätte sie um Haaresbreite erwischt.
Mit dem Schrecken davon gekommen erreicht die Biene schließlich nach wenigen hundert Metern den heimischen Stock. Sie fliegt hinein, sammelt sich kurz und bemerkt dabei eine andere Biene, die sich mit einem kleinen Gefolge im Schlepptau tänzelnd über eine Wabe bewegt. Die heimgekehrte Biene zögert nicht lange und geht auf direkten Kollisionskurs mit ihrer tänzelnden Artgenossin. Was folgt, ist der unvermeidliche Zusammenstoß.
Der Tanz als Kommunikationsform
Um zu verstehen, was hier gerade passiert ist, müssen wir zunächst einen Blick auf das ahnungslose Opfer des Aufpralls werfen. Warum tänzelte die angerempelte Biene überhaupt über die Wabe? Giovanni Galizia forscht seit vielen Jahren zur Neurobiologie von Insekten und kennt die Antwort: „Honigbienen sind soziale Insekten, die sich über Nahrungsquellen austauschen und dann als Kolonie immer wieder zu besonders ergiebigen Blütenfeldern zurückkehren. Dafür verwenden Sie eine einzigartige Form der Kommunikation: den sogenannten Schwänzeltanz.“ Kommt eine Biene erfolgreich von der Nahrungssuche zurück, verteilt sie kleine Nektarproben an andere Bienen im Stock und beginnt dann ihren Tanz. Artgenossinnen, die von der Kostprobe überzeugt sind, schließen sich der tanzenden Biene an und erfahren aus dem Schrittmuster, in welcher Richtung und wie weit entfernt vom Stock sie fündig werden.
So funktioniert der Schwänzeltanz
Die Tanzschritte des Schwänzeltanzes sind schnell erklärt: mit wackelndem Hinterteil einige Schritte geradeaus, dann rechtsherum im Halbkreis zurück zum Ausgangspunkt; anschließend wieder die gleiche Anzahl an Schritten vorwärts und diesmal linksherum zurück; dann von vorne.
Entscheidend ist dabei der gerade Abschnitt: je länger er ist, desto weiter die Entfernung vom Bienenstock zur Nahrungsquelle. Der Winkel, den die gerade Strecke auf der hochkant stehenden Wabe zur Lotrechten einnimmt, gibt Aufschluss über die Richtung. Er entspricht dem Winkel, den die Biene beim Verlassen des Stocks im Verhältnis zur Sonne einschlagen muss.
Auf diese Weise erhält im Gedränge des Bienenstocks zwar immer nur eine kleine Anzahl von Bienen gleichzeitig die Weginformationen, trotzdem verbreiten sich diese wie ein Lauffeuer durch die Kolonie. Es reichen zehn Bienen, die dem Tanz folgen. Sie kehren nach einem kurzen Ausflug zum betanzten Ort ebenfalls mit süßem Nektar in den Stock zurück und fangen ihrerseits an zu tanzen.
„So werden aus einer Biene erst zehn, dann hundert, dann tausend – und nach wenigen Wiederholungen hat das gesamte Bienenvolk Kenntnis von der neuen Nahrungsquelle“, veranschaulicht Galizia. Die tänzelnde Biene auf der Wabe wollte also den anderen Bienen im Stock gerade vom Ort einer lukrativen Nahrungsquelle berichten – ebenjene Ansammlung von Blumen, auf deren Blüten nun die gefährliche Spinne auf Beute lauert.
Die rollende Lawine stoppen
Was aber passiert, wenn eine beliebte Nektarquelle plötzlich zur Gefahr wird? Fliegt die gesamte Kolonie dann unweigerlich in ihr Verderben? Oder gibt es eine Möglichkeit, die weitere Bewerbung der Quelle zu unterbrechen? „Die gibt es!“, bestätigt Galizia und erklärt: „Hat eine Biene beim Besuch einer Nahrungsquelle schlechte Erfahrungen gemacht, kann sie eine andere Biene, die diese Quelle gerade anpreist, in ihrem Tanz unterbrechen. Und zwar auf recht rabiate Weise – indem sie die tanzende Biene einfach anrempelt.“ Genau wie in der anfänglichen Szene beschrieben.
© Inka Reiter„Das Stoppsignal ist eine erstaunliche kognitive Leistung für ein Insekt. Die ausführende Biene muss dafür nicht nur den Tanz der Artgenossin richtig deuten, sondern ihn zusätzlich mit der Erinnerung an ihre eigene, negative Erfahrung am betanzten Ort in Zusammenhang bringen.“
Giovanni Galizia
Da dieses Verhalten vergleichsweise selten auftritt und die Forschung zum Stoppsignal noch recht jung ist, sind bisher nicht viel mehr als dessen grober Ablauf und Funktion bekannt. Um die Geheimnisse des Signals endlich zu lüften, hat sich am Konstanzer Centre for the Advanced Study of Collective Behaviour ein Team aus ExpertInnen unterschiedlicher Fachrichtungen zusammengefunden, zu dem neben BiologInnen auch ein Toningenieur, ein Informatiker und ein Robotiker gehören. Ihr erstes Etappenziel ist es, das Stoppsignal in dem Gewusel aus tausenden Bienen, die sich in einem Bienenstock tummeln, zuverlässig zu erkennen und zu dokumentieren. Denn um etwas überhaupt erforschen zu können, muss zunächst die entsprechende Datengrundlage geschaffen werden.
Ein Geräusch als Schlüssel
Das bedeutet in diesem Fall: beobachten und abwarten. „Einen Bienenstock einfach nur mit Kameras zu versehen und die Aufnahmen vom Getümmel auf den Waben händisch nach dem Stoppsignal abzusuchen, wäre aber viel zu mühselig“, sagt Projektmitglied Andreagiovanni Reina, der zu bio-inspirierten Robotersystemen forscht. Stattdessen möchte das Konstanzer Forschungsteam die Beobachtung des Signals automatisieren. „Was den Schwänzeltanz selbst angeht, sind wir diesbezüglich schon sehr weit. Wir haben eine Künstliche Intelligenz trainiert, die das auffällige Tanzmuster automatisch auf Kamerabildern ausmacht und sogar die darin enthaltene Ortsinformation für uns dekodiert“, so Reina.
Neurobiologe James Foster in Schutzkleidung fängt Bienen, die gerade einen der Forschungs-Bienenstöcke auf dem Gelände der Universität Konstanz verlassen.
Blick in einen Versuchsbienenstock
Gemeinsam erforschen sie das Stoppsignal der Bienen (von links): Die Expertin für Verhaltensexperimente Frida Hildebrandt, der Experte für Bienensensorik James Foster, der Informatiker Jacob Davidson, der Robotiker Andreagiovanni Reina, die Expertin für Lernen bei Bienen Valery Kuklovsky, der Toningenieur Alberto Doimo und der Neurobiologe Giovanni Galizia
Beim Erkennen des eher unscheinbaren Stoppsignals im Chaos des Bienenstocks stößt jedoch auch eine Bildanalyse-KI an ihre Grenzen. Das Projektteam macht sich daher eine andere Eigenschaft des Verhaltens zunutze: Beim Zusammenstoß mit der tanzenden Biene erzeugt die unterbrechende Biene zeitgleich ein gut hörbares, hochfrequentes Geräusch. „Wir wissen noch nicht, ob dieses Geräusch ein simpler Nebeneffekt ist, oder ob die angerempelte Biene – und eventuell auch die ihr folgenden Bienen – daraus Informationen gewinnt. So oder so ist das Geräusch derart charakteristisch für das Stoppsignal, dass es uns helfen kann, dieses zuverlässig zu detektieren“, bemerkt Reina.
Hinhören statt nur hinzusehen
Mit dieser Idee im Hinterkopf entwickelt das Team derzeit einen neuartigen Beobachtungs-Bienenstock, bei dessen Bau es tatkräftige Unterstützung durch die Wissenschaftlichen Werkstätten der Universität erhält. Zusätzlich zu Kameratechnik ist der Hightech-Bienenstock mit einem Raster aus Mikrofonen ausgestattet, die das Stoppsignal bei jedem Auftreten anhand seiner charakteristischen Schallsignatur registrieren. Doch mehr noch: durch Triangulation – also die Verrechnung der Aufnahmen der einzelnen Mikrofone – kann zusätzlich der ungefähre Ort im Bienenstock ermittelt werden, an dem die jeweilige Biene das Verhalten zeigt.
„Die akustisch gewonnenen Informationen zum Ort und Zeitpunkt der Stoppsignale werden es uns ermöglichen, in den Kameraaufnahmen aus dem Bienenstock automatisch diejenigen Bildausschnitte zu finden, in denen das Verhalten zu sehen ist. So werden wir deutlich schneller an die notwendige Anzahl von Beobachtungen kommen, um das Signal ausführlich beschreiben und charakterisieren zu können“, sagt Galizia. Die Forschenden interessieren sich dabei zunächst für ganz grundlegende Fragen: Wie oft zeigen Bienen das Verhalten unter natürlichen Bedingungen? Wer beachtet das Stoppsignal – nur die tanzende Biene oder auch ihr Gefolge? Und wie effektiv und nachhaltig verändert es wirklich das Nahrungssuchverhalten der Kolonie?
Für eine Einzelperson wäre ein solches Projekt nicht zu stemmen – zu umfangreich das Vorhaben, zu groß die Zahl an Herausforderungen außerhalb der eigenen Expertise. Die zentrale Forschungsfrage des Centre for the Advanced Study of Collective Behaviour – Wie können mehrere Individuen gemeinsam etwas bewerkstelligen, zu dem sie alleine nicht in der Lage wären? – steht daher sinnbildlich für die Arbeit der eigenen Forschenden. Sie kommen aus unterschiedlichen Disziplinen zusammen, um gemeinsam komplexe, fächerübergreifende Projekte zu realisieren. Das beinhaltet auch, Ergebnisse aus der Grundlagenforschung in Richtung fachfremder Anwendungen weiterzudenken.
Künftige Erkenntnisse zum Stoppsignal der Bienen werden zunächst dabei helfen, mathematische Modelle zur Dynamik des Nahrungssuchverhaltens von Bienenkolonien zu verfeinern. Bisherige Modelle berücksichtigen zwar die verstärkende Wirkung des Schwänzeltanzes für den Besuch bestimmter Nahrungsquellen, meist jedoch nicht das Stoppsignal als eine Form von negativem Feedback. Doch nur das Wechselspiel aus positivem und negativem Feedback erlaubt es der Kolonie, sich flexibel an neue Umweltbedingungen anzupassen – eine Fähigkeit, die auch in anderen Systemen wünschenswert ist.
„Gute mathematische Modelle zur Selbstorganisation von Bienenkolonien sind hochinteressant für die Robotik. Auf abstrakte Weise stehen Bienenvölker und Robotersysteme oft vor ähnlichen Problemen – zum Beispiel bei der Konsensfindung. Wenn die Evolution hier also eine effektive Lösung hervorgebracht hat, lassen wir uns in der Robotik gerne von der Natur inspirieren“, gibt Reina einen Ausblick.
© Inka Reiter„Gute mathematische Modelle zur Selbstorganisation von Bienenkolonien sind hochinteressant für die Robotik. Auf abstrakte Weise stehen Bienenvölker und Robotersysteme oft vor ähnlichen Problemen – zum Beispiel bei der Konsensfindung. Wenn die Evolution hier also eine effektive Lösung hervorgebracht hat, lassen wir uns in der Robotik gerne von der Natur inspirieren“.
Andreagiovanni Reina
