E62 Übertragung physischer Informationen

Thema

Die Kolonie sozialer Insekten verhält sich nur dann wie eine koordinierte Einheit, wenn es ihren Individuen gelingt, Informationen untereinander zu übertragen, und die Notwendigkeit der Koordinierung führt dazu, dass die Kolonie gleichzeitig auf mehrere physikalische Kanäle zurückgreift, um dies zu erreichen: chemische Signale, die von einigen Individuen ausgesendet und von anderen eingefangen werden, Vibrationen, die sich durch das Substrat ausbreiten oder durch Antennenkontakt übertragen werden, und Geräusche, die durch Reibung zwischen Körperteilen erzeugt werden. Jeder dieser Kanäle legt seine eigenen physikalischen Regeln für die Informationsmenge fest, die er übertragen kann, und der chemische Kanal ist derjenige, der die Fernkoordination innerhalb der Kolonie dominiert.

Bevor eine Person an einem bestimmten Punkt einen Stoff freisetzt, gibt es an diesem Punkt keine chemischen Spuren. Sobald ein Individuum es freisetzt, verteilt sich die Substanz durch Diffusion in den drei Raumdimensionen, die es umgeben, und diese Verteilung führt dazu, dass die chemische Spur, die es hinterlässt, mit der Zeit zunehmend breiter wird: Ihre Reichweite wächst mit der Quadratwurzel der verstrichenen Zeit und nicht direkt proportional dazu, sodass sich die Spur immer langsamer ausdehnt, je länger die Substanz freigesetzt wird.

Ob eine Person die chemische Spur erkennt, hängt von einem Schwellenwert ab. Die Empfänger in den Antennen lösen nur dann eine Reaktion aus, wenn die Anzahl der Spurenmoleküle, die sie gleichzeitig erreichen, einen bestimmten Wert überschreitet. Unterhalb dieses Werts geht das Signal im Rauschen verloren, das für einen Prozess typisch ist, bei dem die Moleküle einzeln und unregelmäßig ankommen. Je weniger Moleküle pro Zeiteinheit eintreffen, desto größer ist das Rauschen im Verhältnis zum Signal. Dies bedeutet, dass die Erkennungsschwelle letztendlich durch die Statistik der Molekülankunft selbst und nicht durch eine feste Eigenschaft des Rezeptors festgelegt wird.

Die maximale Informationsmenge, die die chemische Spur transportieren kann, hat wiederum eine Grenze, die von zwei Faktoren abhängt: der Bandbreite des Kanals, die letztendlich durch die Diffusionsgeschwindigkeit und die Geschwindigkeit, mit der der Empfänger reagiert, bestimmt wird, und der im vorherigen Absatz beschriebenen Beziehung zwischen Signalintensität und Rauschen. Diese Grenze wächst nicht direkt proportional zur Intensität des Signals, sondern geht in die Sättigung, und das bedeutet, dass ab einem bestimmten Punkt durch die Verstärkung des Signals immer weniger übertragbare Informationen hinzugefügt werden, da die Bandbreite des Kanals – und nicht die Intensität – letztendlich der Faktor ist, der einschränkt, wie viele Informationen die Kolonie über diesen Kanal übertragen kann.

Dieselbe chemische Spur ist es, die die Rekrutierung in Ameisenkolonien aufrechterhält. Wenn eine Ameise die Spur findet und ihr zur Ressource folgt, tendiert sie dazu, diese zu verstärken, indem sie mehr Substanz ablagert, und diese Verstärkung führt dazu, dass andere Ameisen in der Nähe sie ebenfalls erkennen und sich ihr anschließen, sodass die Zahl der rekrutierten Individuen autokatalytisch wächst: Jede neu rekrutierte Ameise erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass weitere rekrutiert werden, genau wie eine Ansteckung, die sich unter Individuen ausbreitet, die noch nicht erreicht wurden.

Ein solches autokatalytisches Wachstum setzt sich nicht unbegrenzt fort, da ein Teil der rekrutierten Ameisen zurückkehrt, ohne die chemische Spur zu verstärken, und dieser Teil als Auslöschungsrate fungiert, die Substanz mit der gleichen Geschwindigkeit aus dem System entfernt, mit der sie durch Rekrutierung wieder aufgefüllt wird. Wenn die Rekrutierung nachlässt, wird die chemische Spur nicht mehr verstärkt, und dies führt dazu, dass die Spur durch Diffusion wieder verdünnt wird, bis an diesem Punkt keine chemische Spur mehr vorhanden ist, genau wie vor Beginn des gesamten Prozesses, wodurch der Kreislauf geschlossen wird.

Dieser gesamte Mechanismus – chemischer Kanal, Erkennungsschwelle, Kanalkapazitätsgrenze und autokatalytische Rekrutierung – dient der Kolonie sozialer Insekten zu einem ganz bestimmten Zweck: Er ermöglicht es ihr, schnell eine große Anzahl von Individuen auf eine Ressource oder Bedrohung zu konzentrieren, die ein einzelnes Individuum erkannt hat, ohne dass eine Ameise die vollständige Karte der Kolonie kennen oder direkte Anweisungen von einer anderen Person erhalten muss. Die Kolonie verhält sich letztendlich wie eine koordinierte Einheit, weil die chemische Spur mit ihrer Schwelle, ihrer begrenzten Kapazität und ihrem Zyklus aus Verstärkung und Auslöschung die physischen Informationen zirkuliert, die diese kollektive Koordination benötigt.

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