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Woher wissen Ameisen, wohin sie ohne Augen gehen?

Woher wissen Ameisen, wohin sie ohne Augen gehen?


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Ich weiß, dass Ameisen einen gewissen Orientierungssinn haben, aber was ist die Physiologie hinter diesem Sinn?


Nun, zunächst einmal haben sie Augen, also das ist es.

Vieles von dem, was Ameisen erreichen möchten, kann jedoch durch eine Kombination aus einem zufälligen Spaziergang und chemischen Spuren erreicht werden.

Wenn Ameisen ihre Umgebung erkunden, wandern sie im Wesentlichen ohne viel Sinn und Zweck umher; legen eine chemische Signatur fest, während sie gehen.

Wenn sie etwas Interessantes finden, wie zum Beispiel Nahrung, verwenden sie ihre eigene chemische Spur, um zurückzuverfolgen, indem sie eine neue chemische Spur legen, die die Natur ihrer Entdeckung anzeigt, und eine Art Geruchsstraße vom Hügel zum interessanten Punkt machen.

Alle Ameisen, die später auf diesen Weg stoßen, folgen ihm und tragen anschließend das Essen zurück auf den Hügel.

Eine interessante Implikation dieses Verhaltens ist die Ameisenmühle, bei der eine Ameise ihre Spur verliert und einer nahegelegenen Ameise folgt. Wenn die Ameise, der sie folgen, folgt Sie Dies kann zunächst zu einer Ameisenspirale führen, die einen Durchmesser von Meilen erreichen kann und aus verwirrten Ameisen besteht, die bis zum Tod vor Erschöpfung laufen.


Betritt das Reich der Ameisen

Mit den Werkzeugen der ultraschnellen DNA-Sequenzierung haben Wissenschaftler kürzlich über vier Ameisengenome berichtet.

Bevor Sie einschlafen, nehmen Sie sich einen Moment Zeit, um Ameisen zu schätzen. Diese sozialen Insekten gehören zu den erfolgreichsten Lebewesen der Welt: Ameisen sind Eindringlinge. Armeen. Schädlinge. Sogar Bauern.

Ameisen leben in Kolonien mit Dutzenden bis Millionen von Mitgliedern, und ob nach Gewicht oder Auswirkung beurteilt, können sie Ökosysteme dominieren.

Erklärungen für den außergewöhnlichen Erfolg der Ameisen liegen in ihren Genomen – ihrem gesamten Genkatalog. Im letzten Monat haben Wissenschaftler vier Ameisengenome veröffentlicht, zusätzlich zu zwei, die letztes Jahr veröffentlicht wurden.
Diese Geschichte finden Sie auf der Seite mit den Klassenzimmeraktivitäten.

Eines der neuen Genome deckte die hochinvasive argentinische Ameise ab, die sich von ihrer Heimat Südamerika nach Europa, Kalifornien und Japan ausgebreitet hat. Die Ameise „ist wegen ihrer enormen ökologischen Auswirkungen eine besonders besorgniserregende Art“, sagte Neil Tsutsui, außerordentlicher Professor am Department of Environmental Science, Policy and Management an der University of California in Berkeley. „Wenn die argentinischen Ameisen eindringen, verwüsten sie die einheimischen Insektengemeinschaften und fördern gleichzeitig das Bevölkerungswachstum landwirtschaftlicher Schädlinge.“

Wie alle sozialen Insekten kommunizieren argentinische Ameisen über chemische Signale, und 2009 entfachte Tsutsui einen Ameisenkrieg zwischen befreundeten Ameisen, indem er sie mit Chemikalien dosierte, die aggressives Verhalten auslösen. Ähnliche Bemühungen könnten durch die neue Genomkarte unterstützt werden, die 367 Gene für Geruch und 116 für Geschmack entdeckt.

Obwohl das Humangenomprojekt seine versprochenen gesundheitlichen Vorteile noch nicht liefern muss, sagte Tsutsui, dass das neue Genom für die lästige Ameise „eine riesige Ressource für Menschen bieten wird, die daran interessiert sind, effektive, gezielte Wege zur Kontrolle der argentinischen Ameise zu finden“, indem Gene manipuliert werden, um die argentinische Ameise zu manipulieren die Paarung stören, Kriege zwischen den Kolonien entfachen, Abwehrmittel entwickeln oder Ameisen in Fallen locken.

Ameisen praktizieren Agroforstwirtschaft

Ein weiteres neues Ameisengenom umfasst die fleißige Blattschneiderameise, die in riesigen Kolonien lebt und ihren Lebensunterhalt mit Pilzen bewirtschaftet. (Die Ameisenkamera gesehen?)

Blattschneider knabbern Baumblätter in Stücke und schleppen sie dann nach Art eines Trägers in unterirdische „Gärten“, wo die Blätter von einem Pilz gefressen werden.

Das ist kein Ziergarten. Der Pilz ist das einzige, was diese Ameisen fressen.

Nach Millionen von Jahren haben sich Ameisen und Pilze gemeinsam entwickelt und eine ernsthafte Co-Abhängigkeit entwickelt. „Die Ameisen brauchen den Pilz, und wenn sie ihn verlieren, sterben sie“, sagt Garret Suen, Assistenzprofessor für Bakteriologie an der University of Wisconsin-Madison.

Suen, einer der Hauptautoren eines kürzlich erschienenen Genoms des Blattschneiders, fügt hinzu, dass auch das Gegenteil der Fall sein könnte, da der Pilz nie außerhalb von Ameisengärten gefunden wurde und „er sich in enger Verbindung mit den Ameisen entwickelt hat“.

Das ist eine verrückte Ko-Evolution! Der unterirdische Garten einer Ameisenkolonie kann ein Volumen von 600 Kubikmetern erreichen. Um den Pilz zu füttern, können Blattschneiderameisen bis zu 17 Prozent der Blätter in einem Wald ernten – was dieses winzige Lebewesen zum größten Pflanzenfresser in vielen tropischen Wäldern der Neuen Welt macht. (Blattschneider leben nicht in Asien, Afrika oder Europa.)

Andere Insekten, wie Termiten, beherbergen symbiotische Mikroben, die für sie Biomasse „fressen“, aber bei den Blattschneidern leben die symbiotischen Mikroben von außen.

Das neue Genom unterstreiche die fundamentale Natur der Symbiose, sagt Suen, denn es habe gezeigt, dass den Ameisen ein Gen für die Synthese der Aminosäure Arginin fehlt. Aminosäuren sind Bausteine ​​von Proteinen, und alle Ameisen benötigen Arginin, aber der Weg, um Arginin im Blattschneider herzustellen, ist unterbrochen, sagt Suen. "Vermutlich war es früher vollständig, und es ist bei allen anderen Ameisen und vielen anderen sozialen Insekten vollständig, außer bei unserer Ameise."

Als Suen und seine Kollegen mit der Analyse der genetischen Sequenz des Pilzes fertig sind, vermutet er, dass er eine verbesserte Fähigkeit zur Argininproduktion zeigen könnte.

Ein Gen verlieren

Die Evolution sucht nach Genen, die zum Überleben und zur Reproduktion benötigt werden, aber da es verschwenderisch ist, Dinge herzustellen, die keinen Zweck haben, neigen Gene, die nicht mehr benötigt werden, dazu, mit der Zeit abzubauen oder zu verschwinden.

Da Blattschneiderameisen von Ameisen abstammen, die Pilze mit weniger Raffinesse züchteten, könnte das Gen in viel kleineren Gärten verschwunden sein, noch bevor sich die Blattschneiderameisen zwischen 8 und 12 Millionen Jahren entwickelten, sagt Cameron Currie, außerordentlicher Professor für Bakteriologie an der UW -Madison und Co-Autor der Studie. „Sie könnten die Gene vor 30 Millionen Jahren verloren haben. Andere symbiotische Systeme, die in ihrer Ernährung aufeinander angewiesen sind, haben einen ähnlichen Genverlust nachgewiesen.“

Der Blattschneider hat auch ein Defizit an Genen für die Herstellung von Trypsin, einem Enzym, das Proteine ​​in Lebensmitteln abbaut, um Aminosäuren herzustellen. „Sie ernähren sich von dem Pilz und versorgen ihn mit freien Aminosäuren, sodass er diese Enzyme nicht benötigt“, sagt Suen.

Ein weiteres Gen, das die Evolution zu kurz gebracht – aber nicht vollständig eliminiert hat – ist das Protein Hexamerin, das Aminosäuren speichert, bis sie während der Entwicklung benötigt werden. „Wir glauben, dass die sich entwickelnde Brut eine ständige Quelle von Aminosäuren aus dem Pilz hat“, sagt Suen, „also muss sie sie nicht speichern.“

Familienpflichten

Abgesehen von der Bestätigung der Vorhersagen der Evolutionstheorie könnten diese genetischen Deletionen den lang anhaltenden Mutualismus zwischen Ameise und Pilz erklären, sagt Currie. Wenn die Ameisen ohne ihre Pilzernte sterben würden, haben sie ein Überlebensinteresse daran, das Eindringen anderer Pilze zu blockieren.

Obwohl eine solche Symbiose für beide Seiten nach viel aussieht, können Betrüger Symbiosen sabotieren. „Evolution sagt voraus, dass es in diesen kooperativen Beziehungen Instabilität oder Betrug geben sollte“, sagt Currie. „Wenn ich Ihnen einen Vorteil gegen Kosten von mir gewähre, können Sie Ihren Vorteil einfach in Anspruch nehmen und keine Gegenleistung erbringen, was bedeutet, dass Sie erfolgreicher wären als jemand, der kooperiert und die Kosten trägt.“

Wenn Sie Ihr marode Auto zur Autoreparatur bringen, können Sie Geld sparen – einmal — indem Sie einen Gummischeck ausstellen. Aber wiederholte Interaktion ist der Zusammenarbeit förderlich, sagt Currie. „Wenn Sie einen schlechten Scheck ausstellen, bekommen Sie Ihr Auto das nächste Mal nicht repariert, und das gilt auch für die Gegenseitigkeit.“

In der Ameisen-Pilz-Beziehung sagt Currie: "Die Partner können einfach nicht gehen und neue Partner finden, die sie zusammengeschlossen haben."

Mit anderen Worten, die Deletion des Arginin-Gens der Ameise könnte erklären, warum die Co-Abhängigkeit mehr als 8 Millionen Jahre andauert.

Lass die Blätter in Ruhe!

Da Ameisen nicht viel lesen und sprechen, wird die chemische Kommunikation wahrscheinlich ein Schwerpunkt für weitere Genomanalysen sein. Pflanzen mögen es nicht, von Pflanzenfressern gefressen zu werden, daher produzieren sie giftige Verbindungen, um potenzielle Browser abzuschrecken. Obwohl der mit Ameisen gefütterte Pilz mehr als 10 Prozent der Baumarten im Wald fressen kann, sind einige Blätter für den Pilz giftig.

Woher wissen die Ameisen, welche Art von Blättern ihre einzige Nahrung abtötet, und wie „sprechen sie darüber“? Es ist klar, dass die Ameisen ihre Ernte im Auge behalten, sagt Suen. Als Wissenschaftler versuchsweise Blätter mit Fungiziden behandelten, hörten die Ameisen auf, diese Art zu sammeln, sagt Suen. „Die Ameisen erinnern sich und berühren diese Bäume zwei Wochen lang nicht, weil sie den Pilz töten. Wir haben keine Ahnung, wie sie das tun, aber jetzt können wir ein Experiment durchführen, um zu sehen, welche Gene unter diesen Umständen ein- oder ausgeschaltet werden“, und müssen daher daran beteiligt sein, den Tod zu erkennen und die Kolonie davor zu warnen. „Wir sind uns ziemlich sicher, dass es eine gewisse Kommunikation zwischen dem Pilz und der Ameise gibt“, sagt Suen.

Sozialstruktur

Allgemeiner gesagt, Informationen über die Gene eines sehr erfolgreichen Organismus mit Millionen kooperierender Individuen sollten für einen anderen sehr erfolgreichen, aber manchmal weniger kooperativen Organismus interessant sein, der mehr Gehirne, weniger Beine und ebenso große Städte hat.

Blattschneiderameisen führen ein kompliziertes Leben, und der identische Satz von Genen ermöglicht es ihnen, Königinnen, Soldaten oder verschiedene Arten von Arbeitern zu werden. „Sie tun dies mit einem unglaublich kleinen Gehirn, aber es ist ein kollektives, fest verdrahtetes Verhalten“, sagt Currie. „Es ist erstaunlich, dass es 5 bis 10 Millionen Ameisen mit vielen verschiedenen Aufgaben gibt, die von verschiedenen Arbeitern unterschiedlicher Größe erledigt werden“, und alles beginnt mit den gleichen Genen.

Das Genom muss noch ein „Bauerngen“ enthüllen, sagt Currie. Er erwartet, dass Kandidatengene für Landwirte entstehen, wenn das Genom des Blattschneiders mit nahen Verwandten verglichen wird, die keine Landwirtschaft betreiben. Dies mag die kuriose Fähigkeit des Blattschneiders erklären, seine Nahrung mit Hilfe von Pilzen anzubauen: „Aber davon sind wir noch weit entfernt.“


Fotoameisen wissen auch, wie man Blumen bestäubt?

' Wie viele Insekten Ameisen lieben Nektar - eine Pflanze, die Bestäuber anzieht, um Pollen zu zerstreuen, um Samen zu produzieren, die keimen und wieder zu Pflanzen wachsen können.

Aber Ameisen scheiden eine antibakterielle Flüssigkeit aus, um Bakterien- und Schimmelinfektionen zu vermeiden, die leider auch Pollenkörner abtöten. Deshalb gelten Ameisen als Bedrohung für den Nektar , '' sagte Delnevo.

Den Forschern zufolge verlassen sich fast 90 % der Wildblumenpflanzen auf Tiere, um ihre Gameten zu zerstreuen, um Früchte und Samen zu produzieren – etwa 88 % davon sind Insekten. Aber die Umweltzerstörung beeinflusst diesen Prozess. Bäume werden immer weniger, weil die Menschen Land für andere Jobs roden. Ohne Bestäubung gibt es für diese Pflanzen keine Zukunft.

Foto 2 Ameisen wissen auch, wie man Blumen bestäubt?

Bei der Beobachtung des C. undulatum-Strauches in der Swan Coast Plain, einem Biodiversitäts-Hotspot, der auch als Kwongan bekannt ist, bemerkte Delnevo einheimische Ameisen - darunter Zuckerameisen (Camponotus consobrinus), Ameisenfleisch (Iridomyrmex purpureus) und Kuhameisen (Myrmecia infima) mit einer einheimischen Art der Biene (Leiopractus conospermi).

Um ihre Rolle bei der Bestäubung zu untersuchen, sammelten er und sein Team frischen Pollen aus den Blüten verschiedener Arten und anderer Pflanzenarten sowie anderer einheimischer Ameisen und Bienen. und senden Sie sie zur Durchführung des Tests an das Labor zurück.

Nach Ameisenexposition liegt die Keimrate bei etwa 80 % – ähnlich wie bei einheimischen Bienen.

"Wir haben Beweise dafür gefunden, dass die Conospermum-Pflanzen haben die Biochemie ihrer Pollensamen an die antimikrobiellen Eigenschaften von Ameisen angepasst. Die Ameisen tragen auch eine große Anzahl von pflanzenbezogenen Pollen, was darauf hindeutet, dass sie einen wichtigen Beitrag zur Samenverbreitung leisten. Das ist eine gute Nachricht, denn Honigbienen - importiert - sind nicht gut für Pflanzen mit einer Wachstumsstruktur, um die Bestäubung einheimischer Bienen zu optimieren , ' sagte Delnevo.

„Unsere Forschung zeigt die Bedeutung der Bestäubung sowie die ökologische Rolle, die Ameisen in diesem Gebiet spielen können. Dies unterstreicht die Komplexität der Interaktionen zwischen Ameisen und Blumen, deren Verständnis dieser Systeme noch in den Kinderschuhen steckt. '


Wenn ein Ameisenspäher nicht in sein Nest zurückkehrt, suchen dann andere Ameisen nach ihm oder bemerken sie nicht, dass er weg ist, weil es so viele Ameisen in der Kolonie gibt?

Ameisen haben extrem wenig direkte Kommunikation zwischen Ameisen und Ameisen, abgesehen von der Überprüfung, ob Ameisen tatsächlich zu derselben Kolonie gehören. (was eher ein einseitiger Check als ein zweiseitiges Gespräch ist) Hier ist eine schnelle und schmutzige Erklärung, wie Ameisenkolonien komplexe Entscheidungen treffen und Logikisten mit sehr unkompliziertem Verstand:

Ant A ist ein Pfadfinder. Ant A verlässt das Nest mit allen anderen Scouts und begibt sich auf ein halbzufälliges Solo-Suchmuster.

Ameise A findet eine Nahrungsquelle! Ameise A nimmt ein Stück Futter und geht schnurstracks zurück zum Nest, wobei sie eine Duftspur vom Futter zur Kolonie legt.

Ant B ist auch ein Scout, während seines halb zufälligen Scout-Musters findet er die frische Duftspur, die Ameise A gelegt hat. Ant B muss nun eine Entscheidung treffen. Er konnte nachsehen, was Ameise A gefunden hatte, oder er konnte sein halbzufälliges Suchmuster fortsetzen. Im Moment ist der Trail relativ schwach, nennen wir es eine 50/50-Entscheidung. Zum Argumentieren macht sich Ameise B auf die Suche nach der Nahrungsquelle.

Ant B findet das Futter, nimmt ein Stück davon und geht zurück zur Kolonie, wobei sie ebenfalls eine Duftspur hinterlässt. Ant B's Duftspur verstärkt die bereits von Ameise A gelegte Duftspur.

Ant C ist auch ein Scout. Ameise C findet die von Ameise A angelegte und von Ameise B verstärkte Duftspur. Ameise C muss die gleiche Entscheidung treffen wie Ameise B, aber diesmal ist die Duftspur etwas stärker und es ist keine 50/50-Entscheidung mehr für Ameise C. Eine stärkere Geruchsspur ist interessanter und zieht Ameise C eher an. Zur Argumentation folgt Ameise C der Spur zum Futter.

Das Essen ist noch da! Ant A muss etwas Großes gefunden haben. Ant C nimmt einen Brocken, geht zurück zur Kolonie und verstärkt die Duftspur.

Inzwischen wurde die Duftspur mehrmals durch Ameisen A, B, C und alle anderen Ameisen, die der Spur gefolgt sind, verstärkt. Tatsächlich wird der Pfad immer stärker, da er Ameisen eher dazu verleitet, ihm zum Essen zu folgen und währenddessen zurückzugehen verstärkend Der Pfad.

Das geht so lange, bis das Essen weg ist. Einige Ameisen werden den Weg immer noch finden, aber da das Essen am Ende des Weges weg ist, wird keine zum Nest zurückkehren, während der Weg verstärkt wird.

Die Duftspur wird ziemlich schnell zerfallen und schließlich verschwinden.

Was die Ameisen hier erreicht haben, ist eine komplexe Lösung eines logistischen Problems ohne direkte Kommunikation von Ameise zu Ameise oder übergeordnetes Management. Einzelne Ameisen wissen, wie man eine Spur legt, und wissen, wie sie darauf reagieren müssen, eine Spur zu finden. Aber sie müssen nicht Management, Kommunikation oder Logistik verstehen. Das Trail-System bedeutet, dass die Kraft des Menschen (Ameisen) weiterhin angewendet wird, bis sie nicht mehr erforderlich ist. Große Nahrungsfunde ziehen viele Ameisen zum Transport an, während kleine Quellen verschwunden sind, bevor eine ausreichend starke Duftspur erzeugt wird, um viele Ameisen anzulocken. So vermeiden Sie jede Zeitverschwendung.

Dies wird als Bienenstockverstand bezeichnet. Ein System, das Entscheidungen und Lösungen treffen kann, die über die Köpfe der einzelnen Komponenten hinausgehen.

Kurz gesagt, Ameisen werden nicht aktiv nach fehlenden Mitgliedern suchen. Es gibt einfach keine Ameisen, die den Überblick behalten. Es sind nur viele einzelne Ameisen, die individuelle Aufgaben erledigen, aber mit einem System arbeiten, das eine fantastische Gruppenleistung hervorbringt, ohne dass sie es wissen. Ameisen haben viele solcher Verhaltensweisen, die wenig oder kein Gruppenbewusstsein haben, aber große koordinierte Anstrengungen, wenn sie von vielen Ameisen ausgeführt werden.


Ameisen bauen mit ihrem Körper 'lebende' Brücken, sprechen Bände über Gruppenintelligenz

Arbeiterkolonnen dringen in den Wald ein und sammeln wütend so viel Nahrung und Vorräte wie möglich. Sie sind eine riesige Armee, der Lebewesen ausweichen müssen und der nur wenige natürliche Hindernisse auflauern können. Diese Legionen sind so entschlossen, dass sie, sollten ein Abgrund oder eine Lücke den direktesten Weg zu ihrer Beute stören, einfach einen neuen Weg bauen – aus sich heraus.

Ohne jeden Befehl oder Anweisung strecken sich Individuen aus der Reihe instinktiv über die Öffnung und klammern sich aneinander, während ihre Mitstreiter über ihre Körper schwärmen. Aber das ist keine Kraft von Übermenschen. Dies sind Armeeameisen der Art Eciton Hamatum, die "lebende" Brücken über Brüche und Lücken im Waldboden bilden, die es ihren bekannt großen Raubzügen ermöglichen, effizient zu reisen.

Forscher der Princeton University und des New Jersey Institute of Technology berichten zum ersten Mal, dass die „lebenden“ Brücken die Armee der Ameisen dieser Art sind Eciton Hamatum bauen mit ihren Körpern sind ausgefeilter, als Wissenschaftler wussten. Die Ameisen nutzen die kollektive Intelligenz, um sich automatisch zusammenzusetzen, wenn sie eine Stauung entlang ihres Raubzugs entdecken, und zerlegen, wenn der normale Verkehr wieder aufgenommen wurde. (Mit freundlicher Genehmigung von Matthew Lutz, Princeton University, und Chris Reid, University of Sydney)

Forscher der Princeton University und des New Jersey Institute of Technology (NJIT) berichten erstmals, dass diese Strukturen ausgefeilter sind, als Wissenschaftler wussten. Die Ameisen weisen ein Maß an kollektiver Intelligenz auf, das neue Einblicke in das Tierverhalten liefern und sogar bei der Entwicklung intuitiver Roboter helfen könnte, die als Gruppe zusammenarbeiten können, so die Forscher.

Ameisen von E. Hamatum automatisch lebende Brücken ohne Aufsicht einer „führenden“ Ameise bilden, berichten die Forscher in der Zeitschrift „Proceedings of the National Academy of the Sciences“. Die Aktion jedes Einzelnen verschmilzt zu einer Gruppe, die sich dem Gelände anpassen kann und zudem nach einem klaren Kosten-Nutzen-Verhältnis arbeitet. Die Ameisen legen einen Weg über eine offene Fläche bis zu dem Punkt, an dem zu viele Arbeiter vom Sammeln von Nahrung und Beute abgelenkt werden.

"Diese Ameisen führen eine kollektive Berechnung durch. Auf der Ebene der gesamten Kolonie sagen sie, dass sie sich so viele Ameisen leisten können, die in dieser Brücke eingesperrt sind, aber nicht mehr", sagte Co-Erstautor Matthew Lutz, ein Absolvent Student am Princeton Department of Ecology and Evolutionary Biology.

"Es gibt keine einzelne Ameise, die die Entscheidung überwacht, sie machen diese Berechnung als Kolonie", sagte Lutz. „Das Nachdenken über diesen Kosten-Nutzen-Rahmen könnte eine neue Erkenntnis sein, die auf andere Tierstrukturen angewendet werden kann, an die die Menschen zuvor nicht gedacht haben.“

Co-Erstautoren Matthew Lutz (links), ein Doktorand am Department of Ecology and Evolutionary Biology in Princeton, und Chris Reid (rechts), ein Postdoktorand an der University of Sydney, der die Arbeit am New Jersey Institute of Technology durchführte , führte in Panama Feldversuche mit einem 1,5 Fuß hohen Apparat mit beidseitigen Rampen und Armen in der Mitte durch, mit denen sie die Größe der Lücke einstellen konnten. Sie fügten den Apparat in aktive Ameisen-Überfallpfade der Armee ein und zeichneten auf, wie die Ameisen die Lücke überquerten. (Mit freundlicher Genehmigung von Matthew Lutz, Princeton University, und Chris Reid, University of Sydney)

Die Forschung könnte helfen zu erklären, wie große Tiergruppen Kosten und Nutzen ausgleichen, über die wenig bekannt ist, sagte Co-Autor Iain Couzin, Princeton Gastwissenschaftler in Ökologie und Evolutionsbiologie und Direktor des Max-Planck-Instituts für Ornithologie Lehrstuhl für Biodiversität und kollektives Verhalten an der Universität Konstanz in Deutschland.

Frühere Studien haben gezeigt, dass einzelne Kreaturen "Faustregeln" verwenden, um Kosten und Nutzen abzuwägen, sagte Couzin, der auch graduierter Berater von Lutz ist. Diese neue Arbeit zeigt, dass in großen Gruppen die gleichen individuellen Richtlinien schließlich gruppenweit koordiniert werden können, sagte er – die Ameisen agierten als Einheit, obwohl jede Ameise nur ihre unmittelbaren Umstände kannte.

„Sie wissen nicht, wie viele andere Ameisen sich auf der Brücke befinden oder wie die Verkehrssituation insgesamt ist. Sie kennen nur ihre lokalen Verbindungen zu anderen und das Gefühl, dass sich Ameisen über ihren Körper bewegen“, sagte Couzin. „Dennoch haben sie einfache Regeln entwickelt, die es ihnen ermöglichen, sich so lange neu zu konfigurieren, bis sie gemeinsam eine Struktur von angemessener Größe für die vorherrschenden Bedingungen geschaffen haben.

„Herauszufinden, wie blinde Ameisen solche Leistungen vollbringen können, könnte sicherlich die Art und Weise verändern, wie wir über selbstkonfigurierende Strukturen in der Natur denken – und solche, die von Menschenhand geschaffen wurden“, sagte er.

Das Verhalten von Ameisenkolonien war unter anderem die Grundlage von Algorithmen im Zusammenhang mit Telekommunikation und Fahrzeug-Routing, erklärte Co-Erstautor Chris Reid, ein Postdoktorand an der University of Sydney, der die Arbeit am NJIT durchführte. Ameisen sind ein Beispiel für "Schwarmintelligenz", bei der Interaktionen auf individueller Ebene ein koordiniertes Gruppenverhalten erzeugen. E. Hamatum Kreuzungen werden zusammengebaut, wenn die Ameisen auf ihrem Überfallpfad Staus entdecken, und zerlegen, wenn der normale Verkehr wieder aufgenommen wurde.

Die folgende Animation zeigt, wie E. Hamatum mit einer Lücke konfrontiert, die sie an einem Apparat entdeckten, den Lutz und Reid in den Wäldern der Insel Barro Colorado in Panama gebaut und eingesetzt hatten. Zuvor dachten Wissenschaftler, dass Ameisenbrücken statische Strukturen seien – ihr Erscheinen über großen Lücken, die Ameisen in der Luft eindeutig nicht überqueren konnten, war ein Rätsel, sagte Reid. Die Forscher fanden jedoch heraus, dass die Ameisen, wenn sie mit einem offenen Raum konfrontiert werden, von der engsten Stelle der Fläche ausgehen und sich zur breitesten Stelle hinarbeiten Weite.

Wissenschaftler dachten früher, dass Ameisenbrücken statische Strukturen seien, aber die Forscher fanden heraus, dass die Ameisen an der engsten Stelle der Fläche beginnen und sich zur breitesten Stelle hinarbeiten, wobei sie die Brücke erweitern, um die Entfernung zu verkürzen, die ihre Landsleute zurücklegen müssen. Die Forscher fanden heraus, dass Armeeameisen ein Kosten-Nutzen-Verhältnis verwenden, mit dem sie Brücken schlagen, bis zu viele Arbeiter von der Nahrungssuche abgelenkt werden. (Mit freundlicher Genehmigung von Matthew Lutz, Princeton University, und Chris Reid, University of Sydney)

„Das Erstaunliche ist, dass eine sehr elegante Lösung für ein Problem auf Kolonieebene aus den individuellen Interaktionen eines Schwarms einfacher Arbeiterameisen entsteht, die jeweils nur lokale Informationen haben“, sagte Reid. „Indem wir die Regeln extrahierten, die von einzelnen Ameisen verwendet werden, um eine lebende Struktur zu initiieren, ihr beizutreten oder sie zu verlassen, könnten wir Schwärme einfacher Roboter programmieren, um Brücken und andere Strukturen zu bauen, indem sie sich miteinander verbinden.

„Diese Roboterbrücken würden die vorteilhaften Eigenschaften aufweisen, die wir bei den Ameisenbrücken beobachten, wie z. "Ein solcher Roboterschwarm wäre besonders unter gefährlichen und unvorhersehbaren Bedingungen wie Naturkatastrophengebieten nützlich."

Radhika Nagpal, Professorin für Informatik an der Harvard University, die Robotik und selbstorganisierende biologische Systeme studiert, sagte, dass die Ergebnisse zeigen, dass es "etwas viel grundlegenderes gibt, wie komplexe Strukturen in der Natur zusammengesetzt und angepasst werden, und dass dies nicht der Fall ist". durch einen Vorgesetzten oder Planer, der Entscheidungen trifft."

Einzelne Ameisen passten sich an die Entscheidungen des anderen an, um eine erfolgreiche Struktur zu schaffen, obwohl nicht jede Ameise unbedingt alles über die Größe der Lücke oder den Verkehrsfluss wusste, sagte Nagpal, der mit der Forschung vertraut, aber nicht daran beteiligt war.

Die Forscher beobachteten mit ihrem Apparat, wie die Ameisen Brücken über Lücken bildeten, die in Winkeln von 12, 20, 40 und 60 Grad angeordnet waren. Zwölf-Grad-Winkel haben die meisten Distanzen reduziert und gleichzeitig die wenigsten Arbeiter beansprucht. Sechzig-Grad-Winkel hatten das höchste Kosten-Nutzen-Verhältnis. (Mit freundlicher Genehmigung von Matthew Lutz, Princeton University, und Chris Reid, University of Sydney)

"Das Ziel war nicht im Voraus bekannt, sondern 'entstanden', als das Kollektiv seine Lösung kontinuierlich an die Umweltfaktoren anpasste", sagte sie. „Die Studie öffnet Ihnen wirklich die Augen für neue Denkweisen über kollektive Macht und hat ein enormes Potenzial, um über anpassungsfähigere Engineering-Systeme nachzudenken, die komplexe Kosten-Nutzen-Verhältnisse auf Netzwerkebene nur durch Peer-to lösen können - Peer-Interaktionen."

Nagpal verglich die Ameisenbrücken mit von Menschenhand gebauten Brücken, die sich automatisch erweiterten, um den Schwerlastverkehr oder eine wachsende Bevölkerung aufzunehmen. Selbstbauende Straßenbrücken mögen zwar noch ein weiter Weg sein, aber das Beispiel veranschaulicht das Potenzial von Technologien, die mit den gleichen selbstbauenden Fähigkeiten gebaut wurden wie in E. Hamatum könnte haben.

„Es besteht ein großes Interesse daran, Roboter zu entwickeln, die sich nicht nur auf sich selbst verlassen, sondern die Gruppe ausnutzen können, um mehr zu erreichen – und die Selbstmontage ist das Nonplusultra, um mehr zu erreichen“, sagte Nagpal. „Wenn Sie kleine, einfache Roboter haben könnten, die in der Lage sind, komplexe Räume zu navigieren, sich aber selbst zu größeren Strukturen zusammenbauen könnten – Brücken, Türme, Ketten ziehen, Flöße – wenn sie sich etwas stellen, zu dem sie einzeln nicht in der Lage waren, das ist a enorme Leistungssteigerung von Robotern."

Die Räume, die die Armeeameisen überbrücken, sind nach menschlichen Maßstäben nicht dramatisch – kleine Risse in der Blattdecke oder zwischen den Enden zweier Stöcke. Brücken werden die Länge von 10 bis 20 Ameisen haben, das sind nur wenige Zentimeter, sagte Lutz. Das gesagt, E. Hamatum Schwärme bilden im Laufe eines Tages mehrere Brücken, die das Hin- und Her von Tausenden von Ameisen sehen können. Das folgende Video zeigt, wie viele Ameisen eine lebende Brücke überqueren, während sie sich zusammenbaut.

Die Heerameisen bauen im Laufe des Tages mehrere Brücken, um kleine Risse in der Blattdecke oder zwischen den Enden zweier Stöcke zu überqueren. Brücken werden die Länge von 10 bis 20 Ameisen haben, was nur wenige Zentimeter beträgt, aber Tausende von Ameisen können über eine lebende Brücke gehen, während sie sich zusammenbaut. (Mit freundlicher Genehmigung von Matthew Lutz, Princeton University, und Chris Reid, University of Sydney)

„Die Brücken passieren täglich mehrmals. Sie bauen Brücken, um ihren Verkehrsfluss zu optimieren und ihre Zeit zu maximieren“, sagte Lutz.

"Wenn Sie Hunderttausende von Ameisen bewegen, kann das Erstellen einer kleinen Abkürzung viel Energie sparen", sagte er. "Das ist ein so einzigartiges Verhalten. Es gibt andere Arten von Ameisen, die aus ihren Körpern Strukturen bilden, aber es ist kein so großer Teil ihres Lebens und ihres täglichen Verhaltens."

Zu den Forschungsarbeiten gehörten auch Scott Powell, ein Armee-Ameisenexperte und Assistenzprofessor für Biologie an der George Washington University Albert Kao, ein Postdoktorand in Harvard, der 2015 in Princeton in Ökologie und Evolutionsbiologie promovierte, und Simon Garnier, Assistenzprofessor für Biowissenschaften am NJIT, der Schwarmintelligenz studiert und einst Postdoktorand in Couzins Labor in Princeton war.

Um ihre Feldexperimente durchzuführen, bauten Lutz und Reid einen 1,5 Fuß hohen Apparat mit Rampen an beiden Seiten und Armen in der Mitte, mit denen sie die Größe der Lücke einstellen konnten. Dann schalteten sie den Apparat in den aktiven E. Hamatum Überfallspuren, die sie im Dschungel von Panama gefunden haben. Da Ameisen dem chemischen Geruch der anderen folgen, benutzten Lutz und Reid Stöcke und Blätter aus der Spur der Ameisen, um sie dazu zu bringen, ihre Säule über das Gerät zu reformieren.

Lutz und Reid beobachteten, wie die Ameisen Brücken über Lücken bildeten, die in Winkeln von 12, 20, 40 und 60 Grad angeordnet waren. Sie schätzten ab, wie viel Reisedistanz die Ameisen mit ihrer Brücke im Vergleich zur Oberfläche (in Quadratzentimetern) der Brücke selbst sparten. Zwölf-Grad-Winkel haben den größten Abstand (ca. 11 Zentimeter) reduziert, während die wenigsten Arbeiter beansprucht wurden. Sechzig-Grad-Winkel hatten das höchste Kosten-Nutzen-Verhältnis. Interessanterweise waren die Ameisen bereit, Mitglieder für 20-Grad-Winkel auszugeben, indem sie Brücken von bis zu 8 Quadratzentimetern bildeten, um ihre Reisezeit um fast 12 Zentimeter zu verkürzen, was darauf hindeutet, dass der Verlust an Arbeitskräften die eingesparte Entfernung wert war.

Lutz sagte, dass zukünftige Forschungen, die auf dieser Arbeit basieren, diese Ergebnisse mit den lebenden Brücken einer anderen Armeeameisenart vergleichen könnten. E. burchellii, um festzustellen, ob die gleichen Prinzipien gelten.

Das Papier "Army ants justieren lebende Brücken dynamisch als Reaktion auf ein Kosten-Nutzen-Verhältnis" wurde am 23. November von Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht. Die Arbeit wurde von der National Science Foundation (Grant-Nr. PHY-0848755, IOS0-1355061 und EAGER IOS-1251585) dem Army Research Office (Grant-Nr. W911NG-11-1-0385 und W911NF-14-1-0431) unterstützt. und das Human Frontier Science Program (Fördernr. RGP0065/2012).


Ameisen im Labor

Seit mehr als einem Jahrzehnt haben die Forscher Danny Reinberg und Shelley Berger Ameisengemeinschaften untersucht, um die Zusammenhänge zwischen Epigenetik, Genexpression und komplexen biologischen Prozessen kennenzulernen &mdash, und sie haben dabei ihre eigene kooperative wissenschaftliche Gemeinschaft aufgebaut.

Die beiden lernten sich Anfang der 1990er Jahre kennen, als Reinberg Professor an der University of Medicine and Dentistry of New Jersey und Berger Postdoc in Harvard war. Beide untersuchten Transkription und Genexpression, Reinberg durch die Erarbeitung biochemischer Mechanismen und Berger durch die Suche nach neuen Genen. Zu dieser Zeit entdeckten Reinberg, Berger und andere Wissenschaftler die Grundlagen der Epigenetik: Wie chemische Markierungen an DNA und umgebenden Proteinen die DNA-Verpackung steuern, um zu bestimmen, welche Gene jede Zelle innerhalb eines Organismus exprimiert.

&bdquoWir hatten sehr lebhafte Gespräche über den Nutzen der Biochemie im Vergleich zur Genetik&rdquo, erinnert sich Berger. &bdquoIm Laufe der Jahre kann man wohl sagen, dass wir viel Respekt voreinander entwickelt haben.&ldquo

Ihr gemeinsames Interesse an Ameisen begann 2005 auf einer Epigenetik-Konferenz in Mexiko-Stadt, als ein Streik den Verkehr behinderte und sie stundenlang in einem gemeinsamen Taxi gefangen hielt. Sie waren sich einig, dass Reinbergs experimentelles System von Säugetierzellen und Bergers Arbeit mit Hefe ihre Fähigkeit, die Rolle epigenetischer Tags in komplexen Prozessen wie Neurowissenschaften, Altern und Tierverhalten zu analysieren, einschränkten. Sie brauchten einen besseren Modellorganismus.

Irgendwann leuchteten Bergers Augen auf. Bei einem kürzlichen Familienurlaub in Costa Rica hatte sie Blattschneiderameisen in Aktion gesehen. Diese Ameisen betreiben Agrargesellschaften und finden und ernten Blätter, die sie verwenden, um ihre Pilznahrung anzubauen. Als Student hatte Berger gelernt, dass einzelne Ameisen derselben Art eng verwandt sind: Sie teilen 75% ihrer DNA, können aber radikal unterschiedliche Eigenschaften und Verhaltensweisen anpassen, wenn sie unterschiedlichen Umgebungen ausgesetzt sind.

&bdquoDie enormen Unterschiede im Aussehen und Verhalten der Ameisen sind auf die epigenetische Regulation zurückzuführen„, sagte Berger. &ldquoSie haben eine ähnliche DNA, können sich aber im Laufe ihres Lebens aufgrund von Umweltunterschieden verändern, was dazu führt, dass sie anders altern oder vielleicht sogar an verschiedenen Krankheiten sterben.&ldquo

Berger schlug vor, dass Ameisen das Versprechen hielten, ein einzigartig leistungsfähiger Modellorganismus zu werden, um die Epigenetik in Aktion zu untersuchen. Reinberg stimmte sofort zu, dass sie gemeinsam an Ameisen arbeiten sollten.

In einem kürzlich erschienenen Artikel im Annual Review of Genetics teilte Reinberg mit, was sie seit dieser Taxifahrt über die molekularen Mechanismen gelernt haben, die dem sozialen Verhalten zugrunde liegen.

Ein starkes Modell

Wie Termiten, viele Bienen und Wespen, schnappende Garnelen und Nacktmulle sind Ameisen eusozial und zeigen das höchste Maß an Kooperation, das bei Tieren gefunden wird. Ameisen und andere eusoziale Tiere teilen die Arbeit auf zwei oder mehr morphologisch und verhaltensmäßig unterschiedliche Kasten auf. Fortpflanzungskasten bringen Nachkommen hervor, während Arbeiterkasten sich um die Jungen kümmern, den Bienenstock pflegen und verteidigen und nach Nahrung suchen.

Ameisenkolonien sind Superorganismen: Jede Kaste funktioniert wie ein Organ &ndash ein Eierstock, ein Fortpflanzungstrakt, ein Muskel oder ein Magen &ndash um das zu erreichen, was die Kolonie zum Überleben braucht. Innerhalb ihrer Kaste funktioniert jede Ameise wie eine Zelle und verlässt sich auf die Kommunikation zwischen den Organismen und Umwelthinweise, um das Verhalten zu diktieren und den Kolonieerfolg zu maximieren. Ihre einzigartige Sozialstruktur macht Ameisen so erfolgreich, dass sie auf fast jeder Landmasse der Erde zu finden sind, und ihre globale Biomasse konkurriert mit der des Menschen. Ameisen sind auch zu kooperativen Kunststücken fähig: Nahrungssuche über weite Strecken, Brücken bauen mit dem eigenen Körper und das Management von Pilzkolonien oder anderen Insekten zur Nahrungsproduktion.

Mit nur einer oder wenigen sich fortpflanzenden Königinnen in jeder Ameisenkolonie sind alle Koloniemitglieder eng verwandte Geschwister. Trotz ähnlicher Genetik können Kasten unterschiedliche Größen, Gehirne, Körperpläne, Verhaltensweisen und soziale Interaktionen haben. Wie genetisch identische Zellen in einem vielzelligen Organismus hängen Identität und Verhalten einzelner Ameisen weniger von der DNA-Sequenz ab als davon, wie Signaleingänge an Schlüsselpunkten der Differenzierung und Entwicklung auf diese Sequenz einwirken.

Die einzigartige genetische Ausstattung der Ameisen ermöglicht es Reinberg, Berger und ihren Mitarbeitern, epigenetische Faktoren hinter Entwicklung, Verhalten und anderen Prozessen isoliert von der Genetik zu untersuchen.

Ein Team aufbauen

Nachdem sie während der Taxifahrt ihre Partnerschaft geschlossen hatten, wussten Reinberg und Berger, dass sie eine große und unkonventionelle Finanzierungsquelle brauchten, da keines der Ameisengenome sequenziert worden war. Im Jahr 2007 kündigte das Howard Hughes Medical Institute den Collaborative Innovation Award an, einen vierjährigen Zuschuss zur Finanzierung von HHMI-Forschern, um Wissenschaftlerteams zu bilden und ehrgeizige, über den Tellerrand hinausgehende Projekte zu verfolgen. Reinberg, ein HHMI-Ermittler, schlug vor, dass sie sich bewerben.

Ihr erster Schritt bestand darin, einen Mitarbeiter zu finden, der Erfahrung mit der Arbeit mit Ameisen im Labor hatte. Bergers Freundin Laurence Zwiebel, Insektenbiologin bei Vanderbilt, empfahl den Ameisenbiologen Jürgen Liebig von der Arizona State University. Liebig studierte die Tischlerameise Camponotus floridanus und die Springameise Harpegnathos saltator. Er war begeistert, sein Wissen über Ameisenbiologie mit Reinbergs und Bergers Erfahrung in Biochemie und Genetik zu kombinieren, um das Verhalten auf molekularer Ebene zu untersuchen.

&bdquoWenn man mit Ameisen arbeitet, kann man eine ganze Gesellschaft in einer Petrischale oder einem Schuhkarton studieren„, sagte Liebig. &bdquoDies macht es viel einfacher, die Organisation von Gesellschaften zu studieren, da man die Experimente viel besser kontrollieren und replizieren kann.&ldquo

Die Tischlerameise hat zwei Arten von Arbeitern (Major und Minor), während die Springameise zwei Arten von Fortpflanzungskasten hat (Königinnen und Pseudoköniginnen). Die Wissenschaftler waren sich einig, dass Berger die Tischlerameise untersuchen würde und Reinberg die springende Ameise – um die einzigartigen Kastenstrukturen der Spezies zu nutzen und verschiedene Facetten der Epigenetik zu studieren.

Liebig schlug vor, neben dem Verhalten auch die Epigenetik des Alterns zu untersuchen. Bei vielen Ameisenarten lebt die Königin viel länger als nicht fortpflanzungsfähige Kasten, manchmal bis zu 30 Jahre. Liebig wusste, dass Zimmermanns-Ameisenköniginnen mindestens 17 Jahre alt werden, während Arbeiterinnen nur zwei Jahre alt werden. Er wusste auch, dass, wenn springende Ameisenköniginnen starben, nicht reproduktive Arbeiterinnen zu reproduktiven Pseudoköniginnen werden konnten, die die Kolonie aufrechterhielten und fünfmal länger lebten als normale Arbeiterinnen. Im Labor hatte Liebig Protokolle ausgearbeitet, um Springameisenarbeiterinnen in Pseudoköniginnen und wieder zurück zu verwandeln, mit gleichzeitiger Veränderung der Lebensdauer.

Die Gutachter des HHMI erkannten, dass die Untersuchung der Epigenetik bei Ameisen die Geheimnisse der menschlichen Gesundheit, des Verhaltens und des Alterns auf einem Niveau aufdecken könnte, das in anderen Modellorganismen nicht verfügbar ist. Reinberg und sein Team erhielten 2008 und 2012 den Collaborative Innovation Award und starteten damit ihren Einstieg in die Ameisenepigenetik.

Modellorganismus bauen

Als sie die HHMI-Mittel erhielten, war Reinberg an die New York University School of Medicine und Berger an die University of Pennsylvania School of Medicine gewechselt. Obwohl Ameisenkolonien in medizinischen Fakultäten selten sind, verstanden die Dekane der NYU und Penn wie das HHMI die möglichen Auswirkungen dieser Forschung auf die menschliche Gesundheit. Die Dekane unterstützten Reinberg und Berger finanziell beim Bau von Ameisenräumen mit kontrollierter Temperatur, in denen Dutzende von Ameisenkolonien in durchsichtigen Plastikboxen untergebracht werden können.

Zwei unerschrockene Postdocs stimmten zu, die ersten Studien des Labors an Zimmermanns- und Springameisen zu leiten: der Molekularbiologe Roberto Bonasio im Reinberg-Labor und der Computerbiologe Daniel Simola im Berger-Labor. Bonasio und Simola lernten, die einzigartige Fortpflanzungsstrategie jeder Art anzuwenden, um die Kolonien zu erhalten. Sie lernten auch, wie man Assays durchführt und interpretiert, die Nahrungssuche, Erkundung und anderes soziales Verhalten für die spätere Verwendung in der epigenetischen Forschung quantifizieren.

&bdquoDie beiden waren wirklich der Grund, warum wir das in unseren beiden Laboren so schön zum Laufen gebracht haben&ldquo, sagte Berger über Bonasio und Simola. &bdquoWir haben es geschafft, zwei wirklich brillante Azubis zu bekommen.&rdquo

Die beiden Labore reinigen die Nester in ihren Ameisenkolonien einmal pro Woche und füttern die Ameisen mehrmals pro Woche. Die Tischlerameisen bekommen Zuckerwasser, Mehlwürmer und Eiweißpräparate, die Springameisen lebende Grillen. Um die Anforderungen des US-Landwirtschaftsministeriums zu erfüllen, leben die Ameisen in ausbruchsicheren Behältern mit rutschigen Wänden in einer abgedichteten Eindämmungseinrichtung, die mit Ölfallen gefüllt ist.

Wenn Arbeiterameisen, die entschlossen sind, nach Nahrung zu suchen, aus ihrem Nest ausbrechen, können sie sich nicht fortpflanzen und überleben nicht lange, insbesondere wenn sie auf feindliche Arbeiterinnen aus einer anderen Kolonie treffen.

Mit der damals verfügbaren Genomik-Technologie brauchte das Team zwei Jahre, um die Zimmermanns- und Springameisengenome und -transkriptome zu sequenzieren, zu kommentieren und zu vergleichen. Sie entdeckten, dass die beiden Ameisenarten zwei gemeinsame epigenetische Markierungen (DNA-Methylierung und Histon-Acetylierung) und eine enzymatische Maschinerie hatten, um sie hinzuzufügen und zu entfernen.

Interspezies- und kasteübergreifende Unterschiede in der Prävalenz epigenetischer Markierungen und der Expression von acetylierenden und methylierenden Enzymen legten nahe, dass die Epigenetik eine Rolle in der Sozialstruktur jeder Spezies spielt. Die Wissenschaftler stellten die Hypothese auf, dass die Veränderung epigenetischer Tags das Verhalten verändern könnte. Liebigs Labor begann, Zimmermanns-Ameisen epigenetische Medikamente in ihr Wasser zu geben. Diese Strategie machte die Sammler aktiver, änderte jedoch nichts am Verhalten der Soldaten.

Wie bei anderen Tieren sind die Gehirne junger Ameisen plastischer als die von Erwachsenen, die sich noch in der Entwicklung befinden, und lassen sich leichter mit Medikamenten und anderen Eingriffen verändern. Die Forscher beschlossen, von der Fütterung erwachsener Ameisen mit Medikamenten auf die Injektion der Medikamente in das Gehirn junger Ameisen umzusteigen. Wenn sie frisch geschlüpften Ameisensoldaten Hemmer von Deacetylierungsenzymen injizierten, verhielten sich die Ameisen wie Sammler und nicht wie Soldaten. Der Verhaltenswechsel erfolgte nach der Injektion von Medikamenten, die mehrere epigenetische Enzyme blockierten, und von RNA-Molekülen, die bestimmte Enzyme blockierten.

&bdquoObwohl die Medikamente sehr kurzlebig sind (nur wenige Stunden anhalten), könnten wir einen langanhaltenden epigenetischen Verhaltenswechsel erreichen, der 50 Tage andauern könnte„, sagte Berger. &bdquoDie Soldaten würden jetzt so lange nach Futter suchen, wie wir sie untersuchen könnten.&ldquo

&bdquoEs gab nur ein sehr kleines Zeitfenster in der Entwicklung, in dem wir den Phänotyp ändern konnten&ldquo, sagte Reinberg. &ldquoSobald die Ameise das Wechselgeld erworben hatte, war es stabil. Das hat uns sofort gesagt, dass Epigenetik wichtig ist.&rdquo

Ausgestattet mit ihrem Wissen über Ameisengenetik und Genexpression wandten sich Reinberg, Berger, Liebig und ihre Mitarbeiter dem Goldstandard bei der Etablierung eines Modellorganismus zu: der Generierung einer erblichen genetischen Mutation. Bei der Fruchtfliege und anderen Insekten wird der olfaktorische Co-Rezeptor Orco für die olfaktorische Funktion, aber nicht für das Überleben benötigt. Das Team beschloss daher, Orco als Ziel zu verwenden, um erwachsene mutierte Springameisen zu erzeugen, die die Rolle von Orco im Sozialverhalten demonstrieren könnten.

Die Fähigkeit, aus mutierten springenden Ameisenarbeiterinnen reproduktive Pseudoköniginnen zu erzeugen, würde es ermöglichen, Kolonien mutierter Ameisen zu gründen, ohne auf eine begrenzte Anzahl von echten Königinnen angewiesen zu sein. Das Erlernen der Injektion von Springameisenembryonen mit der CRISPR-Cas9-Maschinerie, die erforderlich ist, um das Orco-Gen zu entfernen und die resultierenden Larven dann zu gesunden, sich fortpflanzenden Erwachsenen zu erziehen, erforderte jahrelanges Ausprobieren. Die Forscher mussten harte Entscheidungen treffen, welche Strategien sie verfolgen sollten.

&bdquoA lab ist ein Unternehmen mit einer einzigen Mission&rdquo, sagte Reinberg. &bdquoWir mussten einige Projekte abbrechen, um sicherzustellen, dass wir die Mission erfüllen konnten. Es war eine sehr schrittweise Lernerfahrung.&rdquo

Schließlich etablierten Postdoc Hua Yan, Doktorandin Comzit Opachaloemphan und NYU-Professor und Fruchtfliegenexperte Claude Desplane ein erfolgreiches CRISPR-Cas9-Protokoll. Springameisen, denen das Orco-Gen fehlte, hatten eine verringerte Empfindlichkeit gegenüber Duftstoffen und den Verlust von Gehirnregionen, die für die Verarbeitung von Geruchssignalen verantwortlich sind. Die mutierten Ameisen zeigten auch beeinträchtigte soziale Interaktionen mit anderen Ameisen, wanderten außerhalb des Nestes, suchten jedoch nicht nach Nahrung und waren weniger in der Lage, sich zu paaren, sich fortzupflanzen und sich um ihre Jungen zu kümmern. Diese Studie ebnete den Weg für zukünftige Arbeiten zur Rolle des Geruchssinns im eusozialen Verhalten und etablierte die Springameise als genetischen Modellorganismus.

Die Zukunft der Ameisenepigenetik

Reinberg und Berger bauen weiterhin auf ihre jahrzehntelange Erfahrung in der Ameisenepigenetik auf. Nach dem Ende des HHMI Collaborative Innovation Award-Programms im Jahr 2016 sicherten sie sich traditionelle National Institute of Health-Finanzierung vom National Institute on Aging, um ihre genetischen und epigenetischen Werkzeuge in der Altersforschung anzuwenden.

Ihre Labore arbeiten daran, Veränderungen der Genexpression hinter der Kastenentwicklung, dem Verhalten und dem Altern zu definieren, insbesondere im Gehirn. Unter der Leitung von Postdoc Karl Glasad definieren sie epigenetische Wege, die das Gehirn verändern, um die Kastenidentität zu kontrollieren. Sie hoffen, epigenetische Markierungen zu finden, die bestehen bleiben, wenn eine Ameise von einer Kaste zur anderen übergeht und weiterhin das Verhalten, die Anatomie und/oder die Langlebigkeit der Ameise beeinflusst. In Zukunft hoffen sie, den genetischen Werkzeugkasten von Zimmermanns- und Springameisen so erweitern zu können, dass er mit etablierteren Modellorganismen wie der Fruchtfliege konkurrieren kann.

Reinberg, Berger und Liebig sind stolz auf die Arbeit ihrer Teams bei der Etablierung neuer Modellsysteme zur Erforschung der Epigenetik.

&bdquoJeder von uns musste seine Komfortzone verlassen und sich auf etwas Neues einlassen&rdquo, sagte Liebig. &bdquoDies ermöglichte eine gegenseitige Befruchtung von Genetik, Epigenetik und Verhaltensökologie und führte zu einem Schub in beiden Bereichen. Ameisen sind jetzt ein neues Modellsystem in der Genetik.&rdquo

&bdquoIch hatte gehofft, dass das Gehirn so plastisch sein würde, dass wir es manipulieren und das Verhalten ändern könnten&bdquo Berger, &bdquo ich war erstaunt, dass wir das Gehirn mit diesen Methoden verändern können. Ich denke, dass wir auch beim Altern in der Lage sein werden, dasselbe zu erreichen

&bdquoEs gibt in der Wissenschaft nichts Unmögliches, wenn man hartnäckig und leidenschaftlich ist&rdquo, sagte Reinberg. &ldquoJetzt muss ich die gesamte wissenschaftliche Gemeinschaft davon überzeugen, dass es ein Erfolg war.&rdquo

Seit dieser langen Taxifahrt in Mexiko-Stadt hat sich viel verändert. Reinberg und Berger brachten mit Hilfe ihrer Mitarbeiter und Auszubildenden die epigenetische Forschung aus dem Reagenzglas in einen komplexen Modellorganismus. Roberto Bonasio und Hua Yan sind nun zusammen mit Reinberg, Berger, Liebig und Desplan unabhängige Ermittler, sie werden die Ameisenepigenetik-Forschung Jahrzehnte in die Zukunft tragen.

&bdquoBei jedem Modellsystem, das wir im Laufe der Jahre verwendet haben&ldquo, so Reinberg, &bdquo haben wir viel von jedem von ihnen gelernt, das auf den Menschen übertragen werden kann. Ich weiß nicht, was wir genau lernen werden, aber ich weiß, dass wir mindestens zwei oder drei wichtige Dinge lernen werden.&rdquo


Snobs und Slobs: Ameisen sind wie wir

Sie stehen vor Ihrer Haustür und beschäftigen sich mit dem universellen menschlichen Zeitvertreib, die Nachbarn zu verurteilen.

Es gibt Perfect Guy. Sein Rasen sieht aus wie ein makelloser grüner Teppich. Sein Holzstapel könnte die Marineinspektion bestehen. Dein Platz wird nie so gut aussehen.

Dann gibt es The Slob, mit der blauen Plane über dem Carport und einem Auto, das jahrelang auf Blöcken thront.

Wie sich herausstellt, haben Sie und Ihre Nachbarn viel mit Ameisen gemeinsam – laut einer kürzlich veröffentlichten Studie eines Tierverhaltensforschers der Arizona State University.

Azteca-Ameisenkolonien leben in Cecropia-Bäumen und verteidigen die Bäume vor Bedrohungen wie erstickenden Reben und Blattfressern. Aber einige Ameisen verteidigen ihre Baumhäuser aktiver als andere und zeigen, dass Kolonien selbst Persönlichkeiten haben.

Peter Marting, Doktorand in Tierverhalten an der School of Life Sciences, entdeckte, dass Bäume mit aktiveren, aggressiveren Kolonien weniger Blattschäden aufweisen, was darauf hindeutet, dass die Koloniepersönlichkeit eine wichtige Rolle in der für beide Seiten vorteilhaften Beziehung zwischen Ameise und Baum spielt.

„Es gibt inhärente, konsistente Unterschiede zwischen einer Kolonie in diesem Baum und einer Kolonie die Straße runter in diesem Baum. Man konnte es sogar sehen, ohne es offiziell zu quantifizieren“, sagte Martining. “. Diese Kolonie reagiert einfach auf nichts, sie ist sehr vorsichtig und zurückhaltend, was sie angeht. Es ist schwer, ihre Absicht zu messen, sei es Vorsicht oder Apathie oder was es tatsächlich ist. . Andere Kolonien geben nur Vollgas.“

In den tropischen Tieflandregenwäldern des Nationalparks Soberanía in Panama untersuchte Martining fünf Verhaltenstypen: Patrouillenverhalten, Schwingungsstörungen, Reaktion auf Eindringlinge, Reaktion auf Blattschäden und Erkundungstendenz.

Das Studium der Tierpersönlichkeiten oder des Verhaltenssyndroms ist relativ neu. Der Begriff wurde 2004 von dem Biologen Andy Sih von der University of California, Davis, geprägt.

„Er wies darauf hin, dass der Verhaltensbereich in vielen Bereichen dazu neigt, den Bevölkerungsdurchschnitt zu betrachten – nehmen Sie, was alle tun, und nehmen Sie den Durchschnitt – und sagen Sie etwas über diese Bevölkerung im Vergleich zu dieser Bevölkerung, und untersuchen Sie diese Variation nicht“, Marting genannt. „Sagen wir, ich nehme den Mittelwert dieser Ameisen, die ich gerade studiert habe, wie das mittlere Aggressionsniveau. Ich würde all diese wirklich wertvollen Informationen über Individualität komplett verlieren. Was hat es mit dieser Variante auf sich? Woher kommt das? Was sind die Folgen eines bestimmten Persönlichkeitstyps?“

Einige Tiere werden einen aggressiven, mutigen Ansatz verfolgen, andere werden vorsichtiger und zurückhaltender sein. Es gibt eine Welt der Variationen unter ihnen.

„Das hat vielen Menschen wirklich die Augen geöffnet“, sagte Martin. „Ich denke, eines der Dinge, die an diesem Konzept in diesem Bereich wirklich attraktiv sind, ist, dass wir täglich mit den Menschen, die wir kennen, mit diesem konzeptionellen Rahmen interagieren. Wir beurteilen die Persönlichkeit die ganze Zeit. Diese Person hat das, diese Person hat das. Es ist einfach etwas, das unserer alltäglichen Erfahrung so inhärent ist. . Es öffnet die Tierwelt im Hinblick auf das Nachdenken über ihre Existenz. . Ich denke, das regt viele interessierte Forscher – sicherlich mich selbst – dazu an, darüber nachzudenken: ‚OK, wow, ich möchte wirklich wissen, warum dieser Vogel so ist und warum dieser Vogel so ist?‘“

Denken Sie an Haustiere, die Sie besessen haben und die unterschiedliche Persönlichkeiten hatten, unabhängig von der Rasse. Das gleiche passiert in der Wildnis. Der Vorteil, dieses Verhalten bei Haustieren zu beobachten, ist, dass wir jeden Tag mit ihnen verbringen. Es ist schwer, in freier Wildbahn zu studieren.

"Bei wilden Tieren sehen wir einmal ein Individuum", sagte Martining. „Wenn Sie in der Lage sind, wilde Tiere zu verfolgen und ihr Verhalten in der Wildnis wiederholt zu messen, können Sie diese existierenden Persönlichkeiten enthüllen. In freier Wildbahn ist das wirklich schwer, daher gibt es nur sehr wenige Studien, die Verhaltenssyndrome im ökologischen Kontext in der Natur gezeigt haben. Das Studiensystem, das ich hier mit den Ameisen verwende, die in den Bäumen eingesperrt sind – diese Bäume gehen nirgendwo hin, Kolonien bewegen sich nicht – ich habe einen großen Vorteil, wenn ich direkt zu diesen Bäumen rollen und sie mir ansehen kann für Monate oder Jahre.“

Verwechsle Anthropomorphismus – die Zuweisung menschlicher Eigenschaften zu Tieren, langes Tabu in der Biologie – nicht mit Verhaltenssyndrom, sagte Martining.

"Ich denke, Anthropomorphismus ist etwas, bei dem Sie vorsichtig sein sollten", sagte er. „Es ist manchmal auch ein nettes Werkzeug, um verschiedene Aspekte der Existenz eines Tieres zu erschließen, die Sie erkunden können. Ich bin nicht so vorsichtig wie die meisten Biologen, wenn es um Anthropomorphisierung geht. Ich denke, es kann ein gutes Werkzeug sein, um eine Geschichte zu verstehen oder zu vermitteln. Es sollte immer erforscht oder durch Forschung unterstützt werden. Ich neige dazu, selbst ein wenig locker damit umzugehen.“

Er zeigte auf Grackles, die auf der Starbucks-Terrasse nach Krümel suchten, wo er für ein Interview saß.

„Diese Grackles genau hier – es gibt wahrscheinlich alle möglichen verschiedenen Persönlichkeiten, und diese Persönlichkeiten interagieren, und sie haben Freunde, wenn man so möchte, die mit einigen mehr interagieren als mit anderen. Es gibt diese ganze Welt der Variationen.“

Es folgen drei Folgepapiere von Martining. „Koloniepersönlichkeit und Pflanzengesundheit im Azteca-Cecropia-Mutualismus“ wurde im November in Behavioral Ecology veröffentlicht.


Ameisenkraft

Es ist Montagmorgen im Field Museum. Moreau sitzt an ihrem Schreibtisch. Über ihrer Schulter ragt eine riesige Schildkrötenameise auf.

Das gerahmte Aquarell hängt in ihrem neuen Büro an der Wand, gemalt von der langjährigen Artist-in-Residence des Museums, Peggy McNamara. Vor kurzem zum Direktor des Integrative Research Center befördert, leitet Moreau nun die drei Kernbereiche der Institution – Biowissenschaften, Geowissenschaften, Sozialwissenschaften – und das akademische Forschungszentrum, das Fakultätskuratoren, wissenschaftliche Labore und assoziiertes Personal umfasst. Darüber hinaus leitet sie das 12-köpfige Moreau-Labor und betreibt ihre eigene Forschung, Sammlungsverwaltung und Feldforschung, einschließlich jährlicher Ameisensammelreisen in den Äquatorgürtel.

Irgendwie nimmt sich Moreau immer noch Zeit, um persönliche Führungen durch das Field Museum zu geben. Nachdem sie einen Besucher zu den Insektensammlungen im nach Mottenkugeln duftenden Darm des Gebäudes geführt hat, weist sie auf einige ihrer Lieblingsarten hin. Eine davon ist die Blattschneiderameise, die Nährstoffe aus einer pflanzlichen Ernährung gewinnt, indem sie in ihrem Nest Polymer-auflösende Pilze anbaut. Eine andere ist die grüne Baumameise Australiens, die ihr Nest mit Larvenseide „wie eine Mini-Nähmaschine“ zusammennäht.

Aber ihr Liebling von allen ist vielleicht eine Schildkrötenameise namens Cephalotes varians. Erstmals von Darwin beschrieben, leben diese neotropischen Baumbewohner in Löchern, die Käfer in die Rinde gebohrt haben. Um ihre Nester zu schützen, benutzen weibliche Soldaten ihre Köpfe – geformt wie Reeses Erdnussbutterbecher – um die Löcher zu stopfen und Eindringlinge abzuwehren. Moreau und Shauna Price, Postdoc im Moreau Lab und Mitglied des Women in Science-Komitees, haben ein mehrjähriges Stipendium der National Science Foundation, um die Entwicklung dieser perfekt angepassten „lebenden Türen“ zu untersuchen. (Wenn sie angegriffen werden, Kolobopsis explodiert Ameise zerreißt sich selbst, um Raubtiere abzuschrecken und ihre Kolonie zu schützen.)

Die Menschen betrachten Härte und Fleiß als männliche Eigenschaften. Bei Ameisen ist es genau umgekehrt. Ich liebe das.

Eine Sache, die Moreau von anderen Wissenschaftlern unterscheidet, ist ihre Fähigkeit, Staunen und Enthusiasmus zu vermitteln – um jeden, mit dem sie spricht, für Ameisen zu interessieren. Während die meisten Menschen sie als Schädlinge betrachten, die es zu ertragen oder auszurotten gilt, sieht Moreau eine endlos faszinierende Gruppe sozialer Tiere voller evolutionärer Erkenntnisse.

„Ameisen sind wie andere Insekten, weil sie sechs Beine und drei Hauptkörperteile haben – Kopf, Brustkorb und Bauch“, sagt sie. „Aber im Gegensatz zu vielen anderen Insekten sind sie hoch organisiert, sie sind super stark, sie können ohne Ohren ‚hören‘ [indem sie Vibrationen durch ihre Füße wahrnehmen] und sie können chemisch miteinander kommunizieren. Es ist wunderbar."

Sie sind auch eine der wenigen Arten, bei denen Weibchen den Schlafplatz beherrschen.

„Fast jede Ameise, die Sie je gesehen haben, ist weiblich“, sagt Moreau. „Sie sind die Arbeiter, die rausgehen und Essen sammeln. Sie sind die Soldaten, die gegen andere Kolonien kämpfen. Sie sind die Betreuer für junge Ameisen. Die Menschen betrachten Härte und Fleiß als männliche Eigenschaften. Bei Ameisen ist es genau umgekehrt. Ich liebe das."

Passenderweise stellt Moreau das Stereotyp des schwerfälligen männlichen Wissenschaftlers in einem weißen Laborkittel auf den Kopf. Sie lächelt häufig und lacht herzlich. Sie trägt nur rot und schwarz. Und sie ist stark tätowiert, an den Beinen und am Oberkörper prangt eine Konstellation von Insekten. (Ihre Favoriten sind natürlich die komplizierten, wissenschaftlich genauen Ameisen auf ihren Armen: eine Armeeameise, eine Erntemaschine, ein Blattschneider und eine ominös benannte Dracula-Ameise.)

Auch ihre Geschichte hat einen ungewöhnlichen Anfang. Moreau ist im urbanen New Orleans geboren und aufgewachsen, wo die angehende Biologin gerade noch so viel Artenvielfalt hatte, dass sie einen Blick auf ihre Zukunft werfen konnte – in den Ritzen des Bürgersteigs.

„Ich denke, der Grund, warum ich mich zu Ameisen hingezogen fühlte, war, dass du, wo immer du eine findest, weißt, dass du mehr finden würdest“, sagt sie. „Ich könnte Brotkrumen auslegen und beobachten, was sie tun. Oder sehen Sie, wie zwei Kolonien kämpfen. Ich konnte echte Biologie beobachten, im wirklichen Leben, in Echtzeit.“

Aber sie wusste nicht, dass sie bis zum College eine Karriere in der wissenschaftlichen Forschung machen könnte. Sie studierte Entomologie an der San Francisco State University und arbeitete im Labor für Molekulare Phylogenetik von Greg Spicer. Sie wurde gefragt, was sie nach ihrem Abschluss machen möchte. Ohne nachzudenken platzte sie heraus, dass sie einen Master machen wollte.

„Und das war's“, sagt sie. „Ich komme aus dem Süden, wo Sie auf Ihr Wort stehen. Weil ich es laut gesagt hatte, wusste ich, dass ich auf die Schule gehen würde.“

In Harvard hatte Moreau zwei bemerkenswerte Berater. Einer war E. O. Wilson, der renommierte Evolutionsbiologe und, wie Moreau es ausdrückt, „vollendetes Ameisen-Idol“. Die andere war Naomi Pierce, eine der weltweit führenden Autoritäten für Schmetterlinge. (Vielleicht überraschend, etwa die Hälfte der Schmetterlingsarten in der Lycaenid Gruppe – Vladimir Nabokovs Favoriten – haben symbiotische Beziehungen mit Ameisen.)

Moreaus Dissertation über die Evolution und Diversifizierung der Ameisen war sehr ehrgeizig. Sie und ihre Kollegen verwendeten 43 Fossilien aus dem Ameisenstammbaum, um eine „molekulare Uhr“ zu kalibrieren, und sequenzierten dann jeweils sechs Gene aus 139 Gattungen, die 19 der 20 Ameisenunterfamilien der Welt umfassen. Mit ihren Erkenntnissen gelang es ihnen, den Stammbaum der Ameisen neu zu zeichnen, die Ursprünge der Insekten um Millionen von Jahren zurückzuschieben und zu beweisen, dass die erstaunliche globale Blüte der Ameisen – es gibt mittlerweile über 15.000 benannte Arten – mit dem Aufkommen der Blütenpflanzen zusammenfiel vor hundert Millionen Jahren.

Harvard ist auch der Ort, an dem Moreau ihre Forschungen zum Mikrobiom begann – den Billionen bakterieller Organismen, die in allen lebenden Körpern leben. Wie Menschen sind Ameisen eine sehr soziale Spezies, die sowohl hilfreiche als auch schädliche Mikroben verbreitet. In Zusammenarbeit mit dem damaligen Postdoc Jake Russell – heute mikrobieller Ökologe an der Drexel University (und immer noch ein häufiger Mitarbeiter) – nutzte Moreau gezielte bakterielle und genomische Sequenzierungen, um unter anderem zu zeigen, dass sich einige Ameisenarten dank ihrer Darmmikroben zu Vegetariern entwickelt haben , das Aminosäuren in Proteine ​​umwandeln kann. „Es ist super cool“, sagt Moreau. (Bei Akazienameisen setzt das Trinken von Nektar vom Baum sie einem Enzym aus, das die Ameise zwingt, den Baum zu bewachen.)


Ameisenkriege

Wenn man Ameisen als Gesellschaften betrachtet, gibt es zwei Möglichkeiten, wie sie sich an dem beteiligen können, was wir „Kriege“ nennen. Einer von ihnen ähnelt eher der Art und Weise, wie Menschen denken, Kriege zu führen – Schlachten zwischen den Kolonien derselben Spezies. Der andere Typ beinhaltet Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Ameisenarten. Beide Arten von Konflikten sind für die Ameisenbiologie wichtig.

Ameisenkriege sind eine direkte, aggressive Interaktion zwischen Ameisen verschiedener Kolonien. Ameisen konkurrieren mit anderen Ameisen. Monopolisiert beispielsweise eine Kolonie die Nahrungsversorgung, steht diese Quelle anderen Ameisen nicht zur Verfügung – das ist eine indirekte Form der Konkurrenz. Ameisenkriege im Kontext des Wettbewerbs wären der Konflikt, wenn Ameisen physisch in direkte Kämpfe miteinander treten. Tatsächlich ist eines der Dinge, die Ameisen interessant machen, dass sie Konflikte sowohl innerhalb der Arten als auch zwischen den Arten haben.

Forschungsgeschichte

Die Ameisenkriege waren bekannt und wurden erstmals erkannt, noch bevor sich moderne Biologen für dieses Phänomen interessierten.Zum Beispiel schrieb sogar Charles Darwin über Konflikte zwischen Ameisen. Es gibt Hinweise auf den Erfolg von Ameisengesellschaften in der Bibel, weil sich die Menschen seit Jahrtausenden für dieses Phänomen interessierten und es beobachteten. Zum Teil ziehen Ameisenkriege Aufmerksamkeit auf sich, weil Kämpfe zwischen Ameisenkolonien sehr auffallend, sehr offensichtlich, sehr dramatisch sein können, aber auch, weil Ameisen soziale Spezies wie Menschen sind und die Versuchung groß ist, zwischen den beiden Gesellschaften zu vergleichen und Parallelen zu ziehen. Es ist interessant, diese Geschichte der Vergleiche als Cross-Talk zu sehen: Es besteht ein Interesse daran, wie Ameisenkrieg bestehende Ideen bestätigen oder uns etwas Neues über menschliche Konflikte erzählen kann, und es besteht auch ein Interesse daran, Theorien zu übernehmen, die für menschliche Konflikte entwickelt wurden, und fragen, ob uns dies helfen kann, Ameisenkonflikte zu verstehen.

Forschungstechniken

Ameisen sind soziale Insekten, und die übliche Situation in Insektengesellschaften ist, dass die Kolonie eine zusammenhängende Einheit ist und ein gewisses Maß an genetischer Integrität aufweist. Mit anderen Worten, es gibt eine familiäre Struktur, die die Kolonie zusammenhält, obwohl diese Struktur etwas kompliziert sein kann. Die Kolonie entwickelt die Fähigkeit, alle ihre Koloniemitglieder zu unterscheiden und zu erkennen. Ameisen neigen dazu, die Welt auf ziemlich einfache Weise in zwei Klassen zu unterteilen: Koloniemitglieder und alle anderen. Es gibt eine sehr starke In-Group-Identität, die die Kolonie entwickelt und vereint, zumindest für die meisten Arten und unter den meisten Umständen.

Es ist daher wahrscheinlich, dass Ameisen auf Mitglieder anderer Kolonien oder sogar anderer Arten stoßen. In einem Lebensraum, der viele Ameisenarten enthält, ist die Wahrscheinlichkeit, dass Kolonien aufeinander stoßen, artenübergreifend, sehr hoch. Solche Interaktionen sind sehr häufig. Wenn eine Kolonie erkennt, dass die Gefahr besteht, Ressourcen oder Territorium zu verlieren, entweder durch eine andere Ameisenart oder eine andere Kolonie derselben Art, dann entwickelt diese Bedrohung eine organisierte aggressive Reaktion, die manchmal zu einem tatsächlichen Kampf führen kann.

Waffenentwicklung

Ameisen sind uralte Insekten, sie waren schon lange vor dem Zusammenbruch des Superkontinents Gondwana präsent. Das geht mehr als 100 Millionen Jahre zurück und Ameisen gab es schon seit geraumer Zeit, bevor es geschah. Natürlich führten Ameisen viele zig Millionen Jahre lang Kriege, wenn nicht sogar in der Größenordnung von Hunderten von Millionen von Jahren.

Ameisen haben eine Reihe von Waffen, die sie in Ant Wars verwenden können. Das deutet darauf hin, dass diese aggressiven Konflikte für ihre Entwicklung sehr wichtig waren. Wissenschaftler, die die Evolution von Ameisen untersuchen, sprechen über die Verschiebung des Objekts der Ameisenaggression, die während ihrer Entwicklung stattfand. Vor langer Zeit hatten früh entwickelte Ameisenstämme Wirbeltiere (große Landtiere wie Dinosaurier, Vögel und Säugetiere) als ihre Hauptfeinde. Viele dieser Ameisen waren mit einem sehr starken Stachel ausgestattet – diese Ameisen sind sehr gut darin, Feinde wie Menschen anzugreifen, aber ihre Stacheln sind bei anderen Insekten normalerweise nicht so effektiv.

Als sich die Ameisen weiterentwickelten und ökologischer wurden, wurde ihr gegenseitiger Druck immer wichtiger. Dies führte dazu, dass sich die Rolle des größten Feindes der Ameisen von Wirbeltieren auf andere Ameisen verlagerte. Es scheint irgendwie kontraintuitiv zu sein, aber einige Ameisenlinien haben tatsächlich ihren Stachel verloren. In vielen dieser Abstammungslinien wurde der Stachel in ein chemisches Waffensystem umgewandelt, das gut gegen andere Ameisen eingesetzt werden kann. Es ist, als hätten die Ameisen ihre Fähigkeit, Wirbeltierfeinde wie uns zu bekämpfen, zugunsten der Fähigkeit aufgegeben, anzugreifen und abzuwehren und Schlachten gegen andere Ameisen zu gewinnen.

Tatsächlich haben viele Ameisen eine spezielle Art von Waffen, die bei Säugetieren nicht sehr effektiv sind, aber gegen andere Ameisen sehr gut funktionieren. Die Quellen und Details dieser Chemikalien – wo genau im Körper sie produziert werden, welche Chemikalien verwendet werden – variieren je nach Ameisenart. Bei verschiedenen Arten von Ameisen finden Sie Drüsen, die in Ameisenkriegen an fast jedem Teil des Körpers verwendet werden. Auch die chemischen Produkte sind äußerst vielfältig. Es gab unabhängige evolutionäre Ursprünge dieser Waffen, die sich in verschiedenen Ameisenlinien entwickelt haben, die unterschiedliche Lösungen für dieses gemeinsame Problem gefunden haben.

Ameisen haben alle möglichen Waffen. Beißen ist in der Regel beteiligt. Oft kooperieren Ameisen –-Mitglieder einer aggressiven Kolonie werden Dinge tun, wie zum Beispiel Mitglieder der anderen Kolonien festnageln oder sie in Stücke schneiden, während der Feind niedergehalten wird. Ameisen sind wirklich ziemlich fies. Es gibt mindestens eine Spezies, bei der die Arbeiterinnen eine sehr große Drüse in ihrem Körper haben, und wenn sie sich genug aufregen, können sie Druck darauf ausüben und buchstäblich explodieren, wobei eine leimartige Substanz auf die Umgebung ausgespuckt wird. Andere Ameisen haben verschiedene Arten von Drüsen, manchmal im Kopf, manchmal im Unterleib, die giftige Chemikalien ausstoßen, die ihre Feinde verwirren. So reichen ihre Konflikte von physischen Kämpfen bis hin zu chemischen Kriegen, genau wie beim Menschen.

Machen Sie Liebe, nicht Krieg

Es gibt ein interessantes Phänomen, das mit ziemlicher Sicherheit durch die Veränderung des menschlichen Lebensraums beeinflusst wurde. Was wir jetzt sehen, ist auf der ganzen Welt wiederholt passiert – Eindringen von invasiven Ameisen. Wenn ein eindringendes Insekt vom Menschen in einen neuen Lebensraum eingeschleppt wird, kann es sich massiv ausbreiten und in seinem natürlichen Lebensraum völlig beispiellose Dichten erreichen. Das Verbreitungsgebiet invasiver Ameisen kann absolut monströse Gebiete umfassen – Tausende von Quadratkilometern.

Eine Möglichkeit besteht darin, dass das Aufgeben von Ameisenkriegen, Kämpfen innerhalb der Spezies und die Entwicklung der Bereitschaft, Mitglieder anderer Kolonien in Ihr eigenes Nest aufzunehmen, die Kosten für diese Ameisen reduziert hat. Das hat es ihnen ermöglicht, ihre Bevölkerungszahl zu erhöhen, erfolgreich zu sein und überlegene Konkurrenten zu werden. Was sie immer noch tun, ist, andere Spezies als Feinde oder als Fremde zu behandeln, aber sie sind innerhalb ihrer eigenen Spezies nicht aggressiv. Das Ergebnis ist effektiv eine einzelne Ameisenkolonie, die sich über Tausende von Kilometern oder Tausende von Meilen ausbreitet. Die Ameisen von einem Ende des Verbreitungsgebiets könnten zum anderen Ende des Verbreitungsgebiets eingeführt werden und würden nicht aggressiv interagieren. Das passiert immer wieder und ist ziemlich erstaunlich. Diese Ameisen, die zu erfolgreichen Eindringlingen geworden sind, sind nicht eng miteinander verwandt, sie stammen aus verschiedenen Unterfamilien von Ameisen und sind sehr unterschiedlich.

Dies deutet darauf hin, dass Kooperation ein Weg zum Erfolg ist. Natürlich kommt es auf die Ebene an, auf der die Zusammenarbeit zum Ausdruck kommt. Wir können noch einmal auf den Vergleich zwischen Ameisen und menschlichen Gesellschaften verweisen. Menschen sind soziale Tiere, und wir kooperieren, wir bilden Allianzen. Ameisenkolonien haben ein Maß an Kooperation und Integration, das für den Menschen fast unmöglich zu erreichen ist. Aber ein Unterschied zwischen Menschen und Ameisen besteht fast immer darin, dass wir selbst im Kontext einer verwandten Gruppe oder sozialen Einheit viel individuelle Identität bewahren.

Wir Menschen freuen uns sehr über aufopferndes Verhalten und Großzügigkeit, und am Ende ist das, was die Menschen tun, ein zarter Tanz zwischen Egoismus und Kooperation. In diesem Sinne unterscheiden sich Ameisen von uns. Innerhalb der Koloniegruppe sind Egoismus und individuelle Anreize weitgehend verloren gegangen oder verschwunden. Ameisen kämpfen immer noch über Koloniegruppen hinweg, aber es ist zwingend und interessant, dass die invasiven Arten, die diese Koloniebarrieren aufgegeben haben, anscheinend mehr ökologischen Erfolg haben.

Soldaten gegen Armeeameisen

Soldaten sind eine besondere Art von Ameisen innerhalb von Kolonien einiger Ameisenarten. Soldaten sind ein Teil der auf Verteidigung spezialisierten Arbeitskraft. Nicht alle Ameisenarten haben Soldaten. Die meisten Ameisen haben nur einen Arbeitertyp. Bei den Spezies, die spezialisierte Soldaten mit großen Körpern hervorbringen, unterscheiden sich diese Soldaten im Verhalten vom Rest der Arbeiter. Wenn die Kolonie angegriffen wird, sind die Soldaten diejenigen, die an die vorderste Front kommen und die Kolonie verteidigen.

Armeeameisen (AA) sind eine Unterfamilie der Ameisen mit mehreren einzigartigen Verhaltensweisen. Das Besondere an AA ist, dass sie die Sozialität weiter entwickelt und entwickelt haben als wahrscheinlich jede andere Art von sozialem Tier, die wir kennen, sicherlich besser als jede andere Art sozialer Insekten. Eine der Eigenschaften von AA, die sie so interessant macht, ist, dass sie alles sozial tun. Alle ihre Aktivitäten werden von einer eng interagierenden massiven Gruppe von Individuen durchgeführt. Es gibt keine individuelle unabhängige Tätigkeit, und einzelne Arbeiter gehen nie von alleine los.

Die einzigen Mitglieder von AA-Kolonien, die alleine losziehen, sind die Männchen. Männchen werden gelegentlich von der Kolonie produziert, sie haben Flügel und sie verlassen die Kolonie, um junge Weibchen von anderen Kolonien zu suchen, um sich mit ihnen zu paaren. Alle anderen Aktivitäten in den AA-Kolonien werden in Begleitung von Gruppen- oder Nestkameraden durchgeführt. Es gibt keine Kundschafter, keine individuelle Nahrungssuche. Alles geschieht in einem Schwarm von Massenaktionen. Sie können sich eine AA-Kolonie als eine ununterbrochene Einheit vorstellen, fast wie einen Organismus, wie eine Pseudopode der Amöbe. Es ist, als ob ein AA-Fütterungsangriff ein Arm oder ein Bein wäre, das niemals den Kontakt mit dem Körper abbricht. Und alles, was sie tun, ist hochgradig interaktiv und hochgradig koordiniert.

AA geben großartige Beispiele, um über Ant Wars nachzudenken und sie zu studieren. Sie unterscheiden sich auch ein wenig von den meisten anderen Ameisenarten. AA scheinen die Welt in 3 Kategorien zu unterteilen: andere Kolonien derselben Art, andere AA-Arten und andere Tiere (einschließlich anderer Ameisenarten). Und sie reagieren auf diese drei Kategorien völlig unterschiedlich. Grundsätzlich führen AA keine Ant Wars mit anderen AA. Einige der Lieblingsbeutetiere von AA sind jedoch andere Ameisenarten.

Armeeameisen mit Larven eines überfallenen Wespennests

Innerhalb der AA-Artenfamilie gibt es zwei verschiedene Reaktionstypen: ignorieren oder vermeiden. Stellen Sie sich vor, AA sucht nach Nahrung – sie schicken eine riesige Raid-Party aus, einen Teppich von AA-Arbeitern, der durch den Wald fegt. Manchmal nähert sich ein solcher Schwarm-Raid dem Schwarm-Raid einer anderen AA-Spezies. In dieser Situation würde man einen spektakulären Kampf zwischen zwei Massen von AA erwarten. Aber meistens ignorieren sie sich einfach: Die beiden riesigen Schwarmtrupps gehen durcheinander hindurch, fast so, als ob es den anderen nicht gäbe. Es ist ganz erstaunlich zu sehen.

Die andere Art der Interaktion findet nur sehr selten statt. Wenn zwei Kolonien derselben AA-Spezies aufeinandertreffen und miteinander in Kontakt treten, erkennen sie sehr schnell, dass sie sich mit Mitgliedern einer anderen Gruppe getroffen haben. Anstatt zu kämpfen, ziehen sich beide Kolonien in entgegengesetzte Richtungen zurück, voneinander weg. Sie scheinen große Anstrengungen zu unternehmen, um sich so weit wie möglich voneinander zu entfernen, was dazu führen kann, dass eine ganze Kolonie mitten am Tag noch weiter entfernt wird. Innerhalb der Arten zeigen AA daher massive Vermeidung und zwischen den Arten ignorieren sie sich einfach.

Wenn AA auf andere Ameisenarten stoßen, werden sie jedoch fast ausnahmslos jede Ameise in dieser Kolonie angreifen und versuchen, sie zu töten. AA dringen als Beute in sehr große Kolonien anderer Ameisenarten ein und greifen sie an. Natürlich wehren sich die anderen Ameisen in vielen Fällen. Diese Kämpfe können auf beiden Seiten zu großen Verlusten an Leben führen. Der Krieg zwischen einer Fla-Kolonie und einer Beutekolonie, die sie angreifen, ist eine der beeindruckendsten und verheerendsten Schlachten aller Art in der Natur. Die AA setzen sich in der Regel durch, aber sie können dabei große Verluste erleiden.

AA haben die Fähigkeit, eine riesige Anzahl von Nestkameraden zu rekrutieren, wenn sie die wertvolle Ressource entdecken. Es gibt Hinweise darauf, dass sie eine spezielle Chemikalie haben, die speziell in diesem Zusammenhang verwendet werden kann – ein Rekrutierungspheromon. Ein Bereich neuer Untersuchungen zu AA ist ihr chemischer Werkzeugkasten. Wir wissen experimentell und funktionell, dass sie unterschiedliche Pheromone haben, unterschiedliche chemische Signale, die sie verwenden, um unterschiedliche Botschaften zu senden, aber wir wissen fast nichts über die tatsächliche Chemie dieser Signale.

Von der physikalischen Größe her sind AA in der Regel nicht außergewöhnlich groß. Es gibt viele andere Ameisen, die eine viel größere Körpergröße als AA haben. Aber der Weg, auf dem AA zum Erfolg führt, ist die Kraft der Zahlen. Sie haben riesige Kolonien und alles, was sie tun, tun sie in riesigen, koordinierten Gruppen. Wenn Sie auf eine AA-Kolonie treffen, werden Sie nicht nur von einem Scout, sondern von einem großen Teil der Kolonie gleichzeitig gefunden. Automatisch haben Sie viele Individuen dort, die bekämpfen oder konfrontieren und ausbeuten, was auch immer sie finden, und im Gegensatz zu den meisten Ameisen müssen sie nicht warten, bis die Rekrutierung stattfindet. Sie reagieren auf alles in der Umwelt als soziale Einheit.

Armee-Ameisen gegen Blattschneider

Eine Art von AA in den Tropen der Neuen Welt dringt mit einiger Regelmäßigkeit in reife Kolonien von Blattschneiderameisen ein. AA und Blattschneiderameisen in den Tropen der Neuen Welt sind zwei Höhepunkte der Ameisenevolution in dem Sinne, dass sie sehr große Kolonien haben, sehr sozial hoch entwickelt sind und viel Arbeitsteilung haben. Wenn AA reife Blattschneider-Ameisenkolonien angreifen, stellen sich Soldaten beider Arten in einer Reihe von Blattschneider-Soldaten gegen AA-Soldaten auf – und führen absolut katastrophale Schlachten, die tagelang andauern können, bevor die AA endlich die Verteidigung durchbrechen und geh hinunter zum Laubschneider-Nest und plündere die Brut.

Die Blattschneiderameisen haben riesige Nester, große Kolonien und Millionen von Arbeiterinnen in einer einzigen Kolonie. Sie haben riesige Massenkammern, von denen ein enormer Teil unter der Erde liegt. Sie produzieren Soldaten mit sehr großen Körpern: Ein Soldat kann Hunderte Male wiegen, was ein kleiner Arbeiter wiegt. Die Soldaten können wirklich nicht viel für die Kolonie tun – sie sind riesig, sie sind sehr teuer und ihr Zweck war den Ameisenbiologen ein Rätsel.

Wenn Sie sich ansehen, wie Beuteameisen auf Flugabwehr-Überfälle reagieren, gibt es eine breite Palette von Reaktionen. Einige Arten wehren sich, für andere führen die ersten auftauchenden AA-Arbeiterinnen zu einer sofortigen Panikreaktion, bei der die gesamte Beuteameisenkolonie das Nest evakuiert. Normalerweise schnappen sie sich die Babys, den Nachwuchs, laufen hinaus und tragen sich in die Ferne. Da stehen sie und warten. Nachdem die AA abgereist sind, können die Beuteameisen wieder ins Nest zurückkehren.

Aktuelle Forschung

Das Interesse an der Biologie invasiver Ameisen ist groß. Die Forschung hat begonnen zu erkennen, dass es uns helfen kann, biologische Invasionen und die negativen Auswirkungen, die sie haben könnten, zu verstehen, wenn wir lernen, wie sich die Kolonien in Konflikte verwickeln oder nicht. Einige dieser invasiven Ameisen verursachen enorme ökologische Probleme, nicht nur für den Menschen, sondern auch für die gestörte Ökologie der Orte, an denen sie eindringen. Durch die Ausrottung gefährdeter Arten und die Veränderung der Habitatstruktur können sie absolut monströse Auswirkungen auf die Ökologie haben.

Auch für den Menschen sind sie ein Problem: Sie gelangen in Lebensmittel, manche stechen, sie verursachen medizinische Probleme. In gewisser Weise ist es fast so, als würde man über neu auftretende Krankheiten sprechen. Das Verständnis von Ameisenkriegen kann zu Hinweisen auf die Eigenschaften von Ameisenarten führen, die dazu führen, dass sie invasiv sind. Es wird uns hoffentlich helfen, auf diese Invasionen zu reagieren, und kann sogar vorhersagen, wann sie wahrscheinlich wieder passieren werden. Es wird also viel über Ameisenaggression und Ameisenkriege geforscht, um biologische Invasionen zu verstehen.

Eine andere Idee wäre, sich die Tierarten anzusehen, die die Ameisenkriege direkt ausbeuten. Viele Ameisen haben andere Arten, die tatsächlich in ihren Kolonien leben. Diese werden als Myrmecophile oder Ameisenliebhaber bezeichnet. Dies sind Tiere, die ihren Lebensunterhalt damit verdienen, im Grunde eine Ameisenkolonie zu überfallen. Sie sind normalerweise parasitär, aber ihre Wirkung ist sehr gering. Diese Tiere entwickeln die Fähigkeit, sich vor den Ameisen zu verstecken, fast so, als könnten sie in die Ameisenkolonie aufgenommen werden. Der Kolonieerkennungsmechanismus funktioniert nicht, irgendwie umgehen sie ihn. Und diejenigen Tiere, die im evolutionären Sinne mit der Ameisenkolonie verbunden sind, wären sehr am Ausgang von Ameisenkriegen interessiert. Mit anderen Worten, es ist schlecht für sie, wenn ihre Kolonie geschädigt wird. Es gibt jedoch keine Hinweise darauf, dass diese Arten direkt an den Schlachten teilnehmen, obwohl dies eine interessante Vermutung ist.

Ameise, die Honigtau von einer Blattlaus (einem Myrmekophilen) erhält

Wir konzentrieren uns gerade auf zwei Dinge in meinem Labor. Eine untersucht die Evolution des Gehirns und versucht zu verstehen, wie das Nervensystem auf verschiedene Ökologien reagiert, ob das Nervensystem die sozialen Rollen und Körpergrößen der Ameisen abbildet. Die andere Linie, an der wir interessiert sind, ist die Verwendung von AA, um Temperaturschwankungen und möglicherweise die Auswirkungen des Klimawandels auf die Tiergenetik und -physiologie zu untersuchen. Wir denken, dass AA ein großartiges Modell dafür ist, zum Teil weil AA-Arten in den Tropen sehr weite Höhenbereiche aushalten können: Dieselben Arten sind im Tiefland sehr heißen Temperaturen und in den Bergen sehr kalten Temperaturen ausgesetzt.

Offene Fragen

Aus der Erforschung von Papierwespen im Jahr 2015 haben wir gelernt, dass es eine große Verschiebung der Gehirnstruktur und der Investitionen in das Gehirn gibt, wenn man von einsamen Arten zu sozialen Arten wechselt. Dies unterstützt möglicherweise die Vorstellung, dass, wenn Sie sozial werden, Ihre Anforderungen an die individuelle Gehirnleistung und Kognition sinken, weil Sie die Informationen teilen und sich mit anderen Gruppenmitgliedern integrieren können. Es ist fast so, als ob neuronale Verarbeitung auf Gruppenebene extrahiert werden kann. Es war eine sehr aufregende Entdeckung und diese Art von Analyse muss auf andere Gruppen sozialer Organismen wiederholt werden, um zu sehen, ob das gleiche Muster gilt. Der Grund dafür ist, dass die meisten Wirbeltiergesellschaften, Säugetiere, Vögel und Fische das gegenteilige Muster aufweisen. Mit anderen Worten, wenn Sie die Sozialität erhöhen, steigen auch die Investitionen in das Gehirn, während es bei Insekten genau das Gegenteil sein könnte. Dies ist ein potenziell sehr spannendes Gebiet.

Es gibt auch eine Reihe von Fragen zu den Megakolonien, über die wir zuvor gesprochen haben, die wir stellen könnten. Wie weit geht die Integration in ihnen wirklich? Es ist wahrscheinlich ziemlich lokal, die Informationen können nur auf der kurzen Strecke geteilt werden. Es ist faszinierend, an die massiv integrierten Kolonien zu denken, obwohl es unwahrscheinlich ist, dass Informationen über die sehr großen Entfernungen ausgetauscht werden. Es ist jedoch eine interessante Möglichkeit für eine Science-Fiction-Geschichte.


Gleitende Ameisen in Peru

Chris - Deine Arbeit wird normalerweise auf den Baumkronen verrichtet. Erzählen Sie uns Ihre Geschichte darüber, wie Sie einige sehr interessante Verhaltensweisen bei Ameisen entdeckt haben, die in der Baumkronen leben.

Steve - Ich habe im Laufe der Jahre verschiedene Studien durchgeführt, aber der dramatischste Teil ereignete sich vor zwei Jahren. Ich versuchte, eine Mücke zu fangen, und musste deshalb ganz still sitzen, damit sie zu mir kamen, um sich von meinem Blut zu ernähren. Als ich dort saß, sah ich einige Ameisen, die im Ast nisten. Sie waren mit meiner Anwesenheit nicht zufrieden und fingen an, über mich zu krabbeln und zu beißen! Da die Ameisen stachelig waren, bürstete ich sie vom Ast, anstatt sie zu zerquetschen. Anstatt direkt zu Boden zu fallen, machten sie eine J-förmige Flugbahn, die sie direkt zum Baumstamm zurückführte.

Chris - Wie machen sie das?

Steve - Gute Frage! Ungefähr 85 von 100 Ameisen werden es tun, aber der Mechanismus ist immer noch ein Rätsel. Was wir wissen ist, dass sie es mit dem Sehen tun. Wir haben dies getestet, indem wir Nagellack über ihre Augen gemalt haben. Als sie vom Sehen abgehalten wurden, konnten sie nicht zum Kofferraum zurückkehren.

Chris - Warum sollten Ameisen das tun?

Steve - Ameisenarbeiter sind für ihre Kolonien wichtig. Sie suchen nach Nahrung und bringen sie dem Rest der Kolonie zum Essen mit.Wenn ein Arbeiter ausgeht und verloren geht oder gefressen wird, entstehen der Kolonie direkte Kosten, da sie nicht nur weniger Nahrung hat, sondern ihn auch ersetzen muss. Wenn eine Ameise vom Blätterdach in die Laubstreu fällt, hat sie die Strecke von etwa 3000 Körperlängen zurückgelegt. Aus dieser Entfernung kann es schwierig sein, die chemischen Spuren zu finden, die sie wieder zurückführen. Es ist daher sehr vorteilhaft, zum eigenen Blatt oder Baumstamm zurückfliegen zu können.

Chris: Woher wusstest du, dass es dieselbe Ameise war, die auf dem Baum gelandet ist?

Steve - Wir haben die Ameisen weiß gestrichen, damit wir sie auf einem Videoband erkennen können. Dies zeigte uns, dass es nach einem Sturz im Durchschnitt etwa zehn Minuten dauerte, bis sie zurückkamen.

Chris - Wohin soll das jetzt führen?

Steve - Es wird in mehrere Richtungen gehen. Wir wollen einige der genaueren Details und die Biomechanik dahinter herausfinden. Wie machen sie die Wendungen? Wie viele verschiedene Ameisenarten tun das? Was sind die evolutionären Ursprünge? Wir werden uns auch andere Insekten ansehen, darunter solche in den asiatischen und afrikanischen Tropen.


Schau das Video: Krieg der Ameisen Natur im Wald - Doku Deutsch (Kann 2022).