D15 Trajektorienverfolgung

Thema

Die Flugbahn eines frei fliegenden Insekts lässt sich vollständig aufzeichnen – von blitzschnellen Manövern im Millimeterbereich bis hin zu kilometerlangen Wanderungen: Genau das leistet die Flugbahnverfolgung. Sie deckt radikal unterschiedliche Größenordnungen mit einem einzigen, allgemeinen Ansatz ab.

Um diese enormen Unterschiede in den Flugbahnen zu erfassen, kombinieren moderne Systeme drei Instrumententypen, die jeweils für einen bestimmten Maßstab konzipiert sind: Hochgeschwindigkeits-Stereokameras für Flugbahnen in Raumgröße, entomologische Radargeräte für Flugbahnen in Landschaftsgröße und harmonische Radargeräte – winzige Sensoren, die ein Radarsignal reflektieren –, um ein einzelnes Insekt auf seinem gesamten Flugweg zu verfolgen.

Jedes dieser Instrumente liefert Flugbahnpositionen, die mit einem gewissen Messrauschen behaftet sind. Der Kalman-Filter kombiniert diese gemessenen Positionen mit dem Rauschen und einem dynamischen Modell der erwarteten Insektenbewegung. Die Filterverstärkung bestimmt in jedem Moment, wie viel Vertrauen in die tatsächliche Messung und wie viel Vertrauen in die Modellvorhersage gesetzt wird. Ziel ist der Mittelwert, der die zuverlässigste Schätzung der tatsächlichen Flugbahn liefert.

Sobald die Flugbahn mit dieser Präzision rekonstruiert ist, offenbart ihre Form den jeweiligen Kontrollmechanismus des Insekts: Die Krümmung der Bahn dient als kinematische Signatur dieses Mechanismus. So zeigt ein Ausweichmanöver vor einem Fressfeind eine sehr hohe Krümmung, ein Nahrungssuchflug eine moderate und ein Wanderungsflug fast keine Krümmung, beinahe eine gerade Linie.

Ergänzend zur Krümmung ermöglicht uns ein Krümmungsindex der Flugbahn die Unterscheidung zweier unterschiedlicher Flugstrategien: Ein Wert nahe eins deutet auf gerichteten Flug hin, bei dem sich das Insekt relativ direkt auf einen bestimmten Punkt zubewegt, während ein Wert deutlich über eins auf zufällige Erkundung hinweist, bei der das Insekt eine beträchtliche Strecke zurücklegt, ohne sich in eine klare Richtung zu bewegen.

Folgt diese zufällige Erkundung einer Fluglängenverteilung, der sogenannten Lévy-Verteilung – mit vielen kurzen Flügen, die sich mit gelegentlichen, viel längeren Flügen abwechseln –, ist die Flugbahn des Insekts besonders effizient bei der Suche nach knappen und unregelmäßig verteilten Ressourcen. Theoretische Nahrungssuchmodelle sagen voraus, dass es eine bestimmte Form dieser Verteilung gibt, die für diesen Zweck optimal ist, wobei die Flüge weder zu kurz noch zu lang sind, sondern vielmehr ein Gleichgewicht zwischen den beiden Extremen darstellen.

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