Wie es nicht funktioniert

Den Ausgangspunkt unserer Überlegungen stellt die Beobachtung in der Natur dar, dass Ameisen stets (beinahe) auf direktem Weg zwischen Ameisenhaufen und Futterquelle ihre Ameisenstraßen errichten. Doch wie sind Ameisen dazu in der Lage, wo eine einzelne Ameise nicht sehr gut sehen kann? So funktioniert es also nicht:

Zwar haben Ameisen Augen, doch schon auf Grund ihrer bodennahen Position ist jeder Grashalm ein unüberschaubares Hindernis für sie.

Der Mechanismus

Ameisen besitzen eine Drüse am Hinterleib, über die sie einen chemischen Lockstoff namens Pheromon auf ihrem Weg hinterlassen können.

Nachfolgende Ameisen orientieren sich am Pheromon ihrer Vorgänger und wählen mit höherer Wahrscheinlichkeit den am stärksten markierten Weg. Doch wie ermöglichen es diese beiden Mechanismen den Ameisen, einen kürzesten Weg zwischen Futterquelle und Ameisenhaufen zu errichten?

Ein Ameisenmodell

Stellen wir uns zur Klärung dieser Frage folgende Situation vor:

Ameisen suchen einen Weg zwischen ihrem Ameisenhaufen und einer Futterquelle. Dabei bestehen zwei Wegalternativen um ein Hindernis, wobei der längere Weg A doppelt so lang sei wie der kürzere Weg B. Weiterhin sollen pro Minute jeweils zwei Ameisen vom Nest aus starten. In Minute 0 starten somit zwei Ameisen und finden noch keinen der Wege markiert vor. Da sie das Hindernis nicht überschauen können und auch das Pheromon ihnen keinen Hinweis gibt, sei unterstellt, dass eine Ameise den längeren Weg A und eine den kürzeren Weg B einschlagen wird. Betrachten wir die Situation nach 0,5 Minuten:

Nach einer halben Minute hat die Ameise, die Weg A eingeschlagen hat, gerade den halben Weg zurückgelegt. Die Ameise auf dem kürzeren Weg hat aber die Futterquelle schon erreicht und macht sich bereits auf den Rückweg. Nach einer Minute hat sich das Bild wie folgt verändert:

Während die Ameise auf dem längeren Weg gerade die Futterquelle erreicht, kehrt die auf dem kürzeren bereits ins Nest zurück. Starten zwei weitere Ameisen, so finden sie auf ihren alternativen Wegen bereits Informationen ihrer Vorgänger vor. Der untere Weg ist bereits mit zwei Pheromoneinheiten markiert, während sie auf dem oberen Weg lediglich eine Einheit vorfinden. Sie werden somit mit höherer Wahrscheinlichkeit den kürzeren Weg B einschlagen. Dadurch steigert sich wiederum die Anziehungskraft des Weges für weitere Nachfolger, so dass nach einiger Zeit eine Ameisenstraße auf dem kürzeren Weg B entsteht:

Losgelöst vom Modell

Ein kürzerer Weg kann von den Ameisen deswegen gefunden werden, da dieser im Vergleich zu einem längeren Weg im gleichen Zeitraum von mehr Ameisen durchlaufen werden kann, als der längere. Diese vielleicht sehr kleine Präferenz lockt nunmehr im nächsten Zeitraum wieder ein wenig mehr Ameisen auf den Weg. Dieser Anziehungseffekt wird langsam immer stärker, bis fast alle Ameisen dem kürzeren Weg folgen. Das Pheromon hält somit die Erfahrungen der Ameisen auf der Wegsuche fest und kann mit einer Art kollektivem Gedächtnis (Gehirn) der Kolonie verglichen werden.

Dabei ist es ein wichtiger Mechanismus, dass die Ameisen lediglich eine mit der Stärke der Markierung korrespondierende Wahrscheinlichkeitsauswahl treffen und nicht immer dem stärker markierten Weg folgen. In diesem Fall könnte die anfänglich zufällige Wegsuche der Ameisen die Präferenz auf einen schlechten Weg locken, der nicht auf Grund seiner Güte zur Straße wird, sondern weil er am stärksten markiert ist. Weichen manche Ameisen vom Weg ab, so werden weitere Wege untersucht, die eventuell Abkürzungen darstellen. Der Erfolg dieser Abkürzungen wird via Pheromon zurückgemeldet und weitere Ameisen werden folgen...

Eine Ameisenstraße auf dem kürzesten Weg entsteht.