Verkehrsregelung bei Ameisen

Wie organisieren Ameisen die komplexen Strukturen und Funktionen in ihrem Zusammenleben? Kann man vom Verhalten der staatenbildenden Insekten sogar auf Regeln für den Straßenverkehr und die Stadtentwicklung schließen? In seinem Aufsatz „Optimal traffic organization in ants under crowded conditions“, der am 4. März 2004 in der Zeitschrift „Nature“ erscheint, erörtert Prof. Dirk Helbing vom Institut für Wirtschaft und Verkehr an der TU Dresden, wie sich am Beispiel von Ameisenkolonien oder Bienenstöcken Prinzipien zur Errichtung verlässlicher und effizienter Infrastrukturen und Organisationen ableiten lassen.

Wissenschaftler der Technischen Universität Dresden, der Paul-Sabatier-Universität in Toulouse und der Freien Universität Brüssel haben herausgefunden, dass sich Ameisen bei der Futtersuche an selbst erzeugten chemischen Markierungen orientieren und so die kürzeste Verbindung zwischen Nest und Futterquelle nutzen. Bei Nahrungsengpässen können Ameisen jedoch die Anziehung durch ihre Markierungen überwinden und zusätzliche Pfade generieren. Im Gedränge regulieren die Ameisen ihren Verkehr mit einer einfachen abstoßenden Interaktion.

Phänomene der gegenseitigen Anziehung und Verstärkung treten bei vielen in Gruppen lebenden Organismen auf. Eine enge Nachbarschaft ist oft von Vorteil, da sie den Gruppenzusammenhalt fördert. Ist sie jedoch zu eng, führt sie zu einer zu hohen Konzentration und schadet den Individuen.
In einem Experiment mit Ameisen untersuchten die Forscher, wie sich ein Stillstand der Gruppenfunktionalität verhindern lässt. Die Ameisen mussten eine Brücke zwischen Nest und Futterquelle überqueren, wobei sie zwischen zwei gleich langen Wegen wählen konnten. Die Forscher beobachteten, dass die Insekten bei geringer Dichte mehrheitlich nur einen Pfad begingen. Die Verkehrsorganisation gestaltete sich asymmetrisch, da die Ameisen den Weg mit der höheren Pheromonkonzentration bevorzugten. Verdichtete sich der Verkehr aber auf einem Weg und kam nahezu zum Erliegen, nutzten die Insekten beide Wege gleichmäßig.

Die Ergebnisse der Studie lassen sich mit Techniken der mathematischen Modellierung begründen. Das Modell erklärt, weshalb ab einer bestimmten kritischen Ameisendichte ein Übergang zu symmetrischem Verkehr erfolgt. Bei starkem Gedränge sinken die Vorteile aus der Nutzung eines Weges, die Ameisen verteilen sich auf beide Wege. Die Insekten passen ihre Verkehrsorganisation für einen hohen Ameisen- und Nahrungsstrom optimal der jeweiligen Konzentration an. Das System ist durch einfache Wechselwirkungen gekennzeichnet und weist enorme Anpassungs- und Regulierungsmöglichkeiten auf. Das Gedränge ist ein Mechanismus, der den Anziehungskräften zwischen den Ameisen entgegenwirkt und das Verkehrsvolumen zur Vermeidung von Engpässen auf mehrere Wege verteilt. Die abstoßenden Interaktionen resultieren also erst aus dem Anziehungseffekt.

Ähnliche Mechanismen findet man beim Routenwahlverhalten im Verkehr, beim Bau von Termitenburgen oder Verästelungen beim Pflanzenwachstum. Auch das Städtewachstum kontrolliert sich selbst und verhindert so den Zusammenbruch der Funktionsfähigkeit von Ballungsräumen.“Ameisenalgorithmen“ könnten weiterhin zur Steuerung des Datenverkehrs im Internet verwendet werden.