Selbst-Organisation von Arbeitsbienen auf einer Bienenwabe

Ziel unseres Projektes ist es, die selbst-organisatorischen Komponenten im kollektiven Ressourcen- und Brut- Management von Honigbienen zu erforschen. Bienen können ihre Verwaltungsstrategien präzise und schnell an geänderte Stockbedingungen (v.a. bei Angebot und Nachfrage) anpassen. Diese Fähigkeit ist insofern bemerkenswert, als an diesen Prozessen tausende Bienen simultan beteiligt sind. Weder kontrollieren diese Individuen selbst den ganzen Stock um sich einen Überblick zu verschaffen, noch gibt es besondere "Organisator- Bienen", die diese Aufgabe erfüllen. Unsere letzten Verhaltensstudien haben gezeigt, daß Ammenbienen ihre kollektive Brutpflege sehr schnell anpassen wenn der Polleneintrag abreißt (z.B. bei Regen). Die parallelen Mechanismen dieser Regulierung auf Individuenebene sind allerdings ungeklärt. Wir nehmen an, daß sie aus einer Kombination von einfachen Verhaltensmustern, Informationsgewinn aus gegenseitigem Füttern (=Trophallaxis) und der Bewertung von Suchzeiten bestehen. Auch die Wabe selbst als "schwarzes Brett", als Kommunikationsplattform und als kollektives Gedächtnis spielt eine wichtige Rolle. Ein Teil unseres Projektes besteht aus Beobachtungen an unterschiedlich großen Gruppen von Larven und Ammenbienen in Kombination mit unterschiedlichen Versorgungslagen im Labor. Wir werden in einigen Versuchsreihen einen Teil der Bienen räumlich vom Futterbereich trennen, so daß sie gänzlich von Fremdinformationen über die Versorgungslage und von Fütterungen abhängig sind. Dabei werden wir die Verhaltensmuster mittels einer Videoanlage erfassen und einerseits automatisch vom Computer auswerten lassen anderseits spezielle Verhalten "von Hand" auswerten. Zusatzdaten (Gewicht, Eiweißgehalt) werden durch nachträgliche physiologische Untersuchungen der Akteure ermittelt. Diese Daten werden von Beobachtungen am Vollvolk ergänzt. Auf Basis dieser Daten implementieren wir ein Multiagenten-Model einer Brutwabe. Es modelliert Ammenbienen, Ressourcenverwaltung, Konsum von Futter, Trophallaxis und Pflege der Brut. Mit diesem Modell werden eine Reihe von Simulationsexperimenten durchgeführt, die das Überleben von Brut und die Selbstorganisation von Ammen bei verschiedenen Stockbedingungen vorhersagen. Dieses Multiagenten-Modell wird auf Basis einer speziell zu schaffenden Programm-Bibliothek erzeugt, welche Grundfunktionen für wabenbasierte Multiagenten- Modelle bereitstellt. Sie wird die spezielle Infrastruktur abbilden, welche eine Wabe dem Bienenvolk in Natur bereitstellt. In den letzten Jahren haben Erkenntnisse über die Selbstorganisation von Ameisen zu mächtigen Algorithmen (ANT-Algorithmus, ACO-Algorithmus) geführt, die inzwischen weltweit bei der Optimierung von Netzen (Telekommunikation, Post,...) eingesetzt werden. Durch die Erforschung der Fähigkeiten der Bienen bei hoch komplexen Verwaltungs- und Anpassungsaufgaben kann unser Modell nicht nur auf den Forschungsgebieten "soziale Insekten" und "Biomodellierung" neue Einflüsse bringen, sondern auch auf industriellem, technischen und kommerziellen Sektoren.

Der Schwerpunkt des Projektes lag auf der Erforschung der Selbst-Organisation der Arbeitsbienen im Brutnest einer Bienenkolonie. Diese Fragestellung wurde mit einer Serie von Experimenten und mit einer Serie von mathematischen Modellen untersucht. In einem ersten Schritt erforschten wir wie weit man die Komplexität einer Bienenkolonie reduzieren kann, ohne daß sie ihre Fähigkeit verliert überlebensfähige Larven zu produzieren. Im Zuge einer Versuchs-Serie haben wir eine "Zwerg-Kolonie" entwickelt, bei der 120-180 Bienen mit einer Königin zusammenleben. In dieser Zwergkolonie hatten wir die Bienen unter ständiger Videobeobachtung und konnten so das Brutpflegeverhalten studieren. Wir untersuchten ob gehungerte Larven mehr Brutpflege von Ammenbienen erfahren und ob gehungerte Ammenbienen ihre Brutpflege-Aktivitäten reduzieren. Die Ergebnisse dieser Studien mündeten in eine Computersimulation der dezentralen, selbst-organisierten Brutpflege bei Honigbienen. Eine derartige Simulation hat zuvor weltweit nicht existiert. Zusätzlich zu den Versuchen mit Zwerg-Völkern, haben wir auch in großen Beobachtungsvölkern (mehrere Tausend Bienen) Experimente durchgeführt. Wir untersuchten die Änderung der Brutpflege bei Änderung der Zahl der Ammenbienen (Änderung der Arbeitskapazität des Bienenvolkes) und bei Änderung der Zahl der Larven (Änderung der Nachfrage). Zusätzlich untersuchten wir ob das trophallaktische Verhalten (eine adulte Biene füttert eine andere Biene) von Ammenbienen bei Pollenmangel verändert ist, was bedeutsam ist um die Rolle dieses Verhaltens für die Regulationfähigkeit des Pollenhaushaltes zu erfahren. Als "Sein-Off" entstand bei diesen Experimenten eine Methode, mit der man das Alter und die Größe von Bienenlarven von einem Digitalfoto ermitteln kann. Im Laufe des Projektes erzeugten wir eine Vielzahl von Computermodellen und Simulation die sich mit dem Fluß von Information (z.B. Tänze), der Informationsverarbeitung (z.B. durch Trophallaxis und durch Brutpflege) sowie mit der Steuerung der Arbeitsteilung durch verschiedene Stimuli beschäftigen. Es wurde auch ein Modell über die selbst-organisierte Regulation der Brutpflege entwickelt. Diese Modelle wurden auf internationalen Tagungen präsentiert und in Fachzeitschriften publiziert. Eine erste technische Anwendung unserer Ergebnisse ist ein Kontroll-Algorithmus für Roboterschwärme, welcher das trophallaktische Verhalten von Honigbienen imitiert. Weiters wurde durch unsere Arbeiten ein neuer Optimierungs-Algorithmus inspiriert, welcher das Feld der bio- inspirierten Optimierung (Genetische Algorithmen, Evolutionäre Strategien, Ameisen-Algorithmen, Partikel- SchwarmOptimierung) erweitern wird.