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Wissenschaftler haben Hummeln (Bombus terrestris) beigebracht, kurze und lange Lichtimpulse zu unterscheiden — eine vereinfachte Form von Morsecode — und diese zeitlichen Informationen zu nutzen, um zu entscheiden, wo sie nach Nahrung suchen. Das Ergebnis ist die erste Demonstration, dass diese pelzigen Bestäuber ihre Futtersuche ausschließlich aufgrund der Dauer eines visuellen Signals steuern können. Damit wird eine überraschend ausgeprägte zeitliche Verarbeitung in einem Insektenhirn offenbart, das kaum größer ist als ein Mohnsamen.
Wie das Experiment funktionierte: Hummeln im Zeittest trainieren
Forscher unter der Leitung des Verhaltensforschers Alex Davidson von der Queen Mary University of London richteten ein kleines Untersuchungsfeld ein, in dem einzelne Arbeiterhummeln zwei blinkenden Lichtern gegenüberstanden. Eine Lampe pulste über längere Zeit, die andere über eine kürzere. In einigen Versuchsreihen dauerte der lange Lichtimpuls 5 Sekunden und der kurze 1 Sekunde; in anderen war das Verhältnis 2,5 Sekunden zu 0,5 Sekunden. Für jede Gruppe von Hummeln wurde eine der beiden Dauern mit einer zuckerhaltigen Belohnung verknüpft, die andere mit einer aversiven, bitteren Flüssigkeit (Chinin).
Die Tiere mussten lernen, welches zeitliche Muster zu Zucker und welches zu Chinin führte. Hummeln galten als trainiert, sobald sie eine Erfolgsquote von 15 richtigen Entscheidungen in 20 Versuchen erreichten. Entscheidend war, dass die Forschenden nach der Trainingsphase Zucker und Chinin entfernten und nicht-belohnte Kontrollversuche durchführten, um olfaktorische oder andere nicht-visuelle Hinweise auszuschließen. Selbst ohne Geschmacksreize bevorzugten die Tiere weiterhin das zeitliche Muster, das zuvor mit Zucker verknüpft gewesen war, und wählten über dem Zufallsniveau.
Das Versuchs-Design legte den Fokus gezielt auf die Zeitdimension. Die Lichtpulse waren identisch in Intensität, Farbe und räumlicher Position und unterschieden sich ausschließlich in der Dauer, sodass die Hummeln zeitliche Differenzen enkodieren und abrufen mussten, um die richtige Wahl zu treffen. Damit liefert das Experiment überzeugende Hinweise darauf, dass Bombus terrestris rein zeitliche visuelle Informationen verarbeiten kann — eine Fähigkeit, die bisher häufiger bei Wirbeltieren als bei Insekten dokumentiert wurde. Diese zeitliche Diskriminierung ist ein Beispiel für komplexe Kognition in kleinen Nervensystemen und erweitert unser Verständnis von Insektenverhalten und Wahrnehmung.
Das experimentelle Versuchs-Set-up der Forschenden. Die Box rechts ist der Wohnbereich der Hummeln; die drei Kammern links sind der Bereich, in dem die Tests stattfanden. (Alex Davidson/Queen Mary University of London)
Warum zeitliche Verarbeitung in der Natur wichtig ist
Die Fähigkeit, Zeitintervalle zu beurteilen, hilft Tieren, reale Überlebensprobleme zu lösen. Bei der Nahrungssuche kann es notwendig sein, zu vergleichen, wie lange Blüten geöffnet bleiben oder wie lange eine Nahrungsquelle verfügbar ist. Zeitliche Informationen unterstützen zudem die Navigation, die Vermeidung von Fressfeinden und die Koordination sozialer Interaktionen. Während Hummeln in der freien Natur normalerweise nicht auf blinkende Lichtmuster wie Labor-Morsecode treffen, könnte die Fähigkeit zur Verarbeitung zeitlicher Informationen eine Anpassung an andere sensorische Aufgaben sein — etwa an die Verfolgung von Bewegungen, die Beurteilung von Flügelschlägen oder dynamischen Veränderungen an Blüten, oder an das Enkodieren von Sequenzen beim Lernen.
Solche grundlegenden Fähigkeiten zur Zeitwahrnehmung können Ökologie und Verhalten miteinander verknüpfen: Wenn eine Hummel die Verweildauer von Blüten „abschätzt“, kann das die Effizienz beim Sammeln von Nektar erhöhen. Ebenso können zeitliche Signale in der Kommunikation zwischen Individuen oder beim Abstimmen von Sammelrouten relevant sein. Die Ergebnisse legen nahe, dass zeitliche Verarbeitung nicht nur ein abstraktes Laborphänomen ist, sondern eine adaptierbare Eigenschaft, die evolutionär von anderen Sinnesleistungen abgeleitet wurde oder als weit verbreitete neuronale Eigenschaft existiert.
"Wir wollten herausfinden, ob Hummeln den Unterschied zwischen diesen verschiedenen Dauern erlernen können, und es war unglaublich spannend, sie dabei zu beobachten", sagt Davidson. Er und seine Kolleginnen und Kollegen schlagen zwei mögliche Erklärungen vor: Entweder hat sich die zeitliche Fähigkeit aus anderen ökologischen Anforderungen wie der Bewegungserkennung entwickelt, oder sie spiegelt eine grundlegende neuronale Eigenschaft der Zeitkodierung wider, die in vielen Tiergruppen geteilt wird.
Ein Schema der Futterarena, in der die Hummeln getestet wurden. (Alex Davidson/Queen Mary University of London)
Wesentliche Entdeckungen und wissenschaftlicher Kontext
Diese Studie baut auf einer wachsenden Zahl von Hinweisen auf, dass die Kognition von Bienen weitreichender ist, als man früher annahm. Jüngste Arbeiten haben gezeigt, dass Hummeln fungusähnliche Ressourcen „bewirtschaften“, Problemlöseverhalten an Artgenossen weitergeben und sogar spielähnliche Interaktionen zeigen können. Andere Bienenarten haben einfache numerische Fähigkeiten und Lernstrategien demonstriert, die an rudimentäre arithmetische Prozesse erinnern. Die Ergänzung dieses Spektrums um die Fähigkeit zur Diskriminierung von Dauer stärkt die Auffassung, dass komplexe kognitive Aufgaben in sehr kleinen Nervensystemen entstehen können.
Auf technischer Ebene isoliert das Experiment die zeitliche Diskriminierung als Entscheidungsvariable. Indem die Forschenden zufällig bestimmten, welche Dauer über Gruppen hinweg mit der Belohnung verknüpft wurde, und indem sie nicht-temporale Hinweise in Kontrollversuchen eliminierten, minimierten sie alternative Erklärungen wie Geruch, räumliche Präferenzen oder Helligkeitsunterschiede. Die beobachteten Effektstärken — Hummeln wählten das belohnte Zeitmuster häufiger als zufällig erwartet — deuten auf robustes Lernen innerhalb eines relativ kurzen Trainingsfensters hin. Solche methodischen Vorkehrungen erhöhen die Zuverlässigkeit der Schlussfolgerung, dass es die zeitliche Dimension war, die der Entscheidungsfindung zugrunde lag.
Aus der Perspektive der Neuroethologie eröffnet die Studie Fragen zur neuronalen Repräsentation von Zeit in Insekten. Sind Intervalle als diskrete interne Zähler gespeichert, werden sie durch Netzwerke mit unterschiedlichen Dynamiken repräsentiert, oder existieren Oszillatoren, die als zeitliche Referenz dienen? Die Beantwortung dieser Fragen erfordert kombinierte Ansätze aus Verhaltensexperimenten, Elektrophysiologie und computergestützter Modellierung, um mögliche Mechanismen wie populationsdynamische Codes, synaptische Plastizität in zeitabhängigen Netzwerken oder phasengekoppelte Oszillatoren zu untersuchen.
Folgerungen für Kognition und Robotik
Das Verständnis, wie sehr kleine Gehirne Zeit enkodieren, hat weitreichende Implikationen über die Biologie hinaus. Erkenntnisse über kompakte und effiziente neuronale Strategien zur zeitlichen Verarbeitung könnten die Entwicklung energieeffizienter Algorithmen in der Robotik und bei Sensornetzwerken inspirieren, wo Hardware-Beschränkungen ähnliche Anforderungen stellen wie bei Insekten. Besonders im Bereich autonomer, energie- und größenbeschränkter Systeme sind einfache, robuste Lösungen für die Zeitmessung gefragt. Ansätze, die aus Insektenmodellen abgeleitet sind, könnten zu sparsamen Hardware-Implementierungen führen, etwa in Low-Power-Mikrocontrollern oder Event-basierten Sensoren.
Darüber hinaus verändert die Anerkennung fortgeschrittener kognitiver Fähigkeiten bei Bestäubern Argumente für ihren Schutz: Arten mit überraschender Verhaltenskomplexität zu erhalten, hat sowohl ethische als auch praktische Bedeutung für Ökosystemdienstleistungen wie die Bestäubung. Schutzstrategien lassen sich besser begründen, wenn bekannt ist, dass Tiere über flexible Lernfähigkeiten verfügen, die ihre Anpassungsfähigkeit an veränderte Umweltbedingungen erhöhen. Solche Einsichten können Naturschutzpolitik, Habitatmanagement und Agrarpraktiken beeinflussen, die auf die Aufrechterhaltung gesunder Populationen wichtiger Bestäuber abzielen.
Expertinneneinschätzung
"Die Entdeckung, dass Hummeln die Dauer eines visuellen Impulses nutzen können, um ihre Futtersuche zu steuern, ist bemerkenswert", sagt Dr. Lina Morales, Neuroethologin (fiktiv), die das Insektenlernen untersucht. "Das deutet darauf hin, dass Zeitkodierung entweder aus vorhandenen sensorischen Rechenoperationen umfunktioniert wurde oder als emergente Eigenschaft neuronaler Schaltkreise auftritt, die auf sehr kleinem Raum arbeiten. In jedem Fall zwingen uns diese Ergebnisse, neu zu überdenken, wozu kleine Gehirne fähig sind und wie die natürliche Selektion effiziente Lösungen für komplexe Aufgaben formt."
Wie geht die Forschung weiter?
Offene Fragen bleiben zahlreich. Generalisieren Hummeln zeitliche Informationen über unterschiedliche Modalitäten hinweg — also etwa zwischen akustischen und visuellen Signalen — und nutzen sie dieselben neuronalen Mechanismen für beide? Welche spezifischen Schaltkreise im Hummelhirn sind an der Intervallschätzung beteiligt, und wie variabel ist dieser Mechanismus zwischen Arten und Kontexten? Künftige Studien, die Verhaltensdaten mit neuronalen Messungen oder detaillierten Modellierungen verknüpfen, könnten klären, ob Insekten Oszillator-ähnliche Mechanismen, populationsdynamische Kodierung oder andere kompakte Strategien zur Zeitrepresentation verwenden.
Hinzu kommt das Potenzial für vergleichende Studien: Indem Forschende ähnliche Versuchsparadigmen an unterschiedlichen Insektenarten anwenden, lässt sich ergründen, wie weit verbreitet zeitliche Diskriminierung in Arthropoden ist und welche ökologischen Faktoren ihre Evolution begünstigen. Solche Arbeiten tragen zur Theorie der kognitiven Evolution bei und liefern zugleich praxisnahe Hinweise für Anwendungen in Technik und Naturschutz.
Die in Biology Letters veröffentlichte Studie erinnert daran, dass bemerkenswerte kognitive Fähigkeiten in winzigen Nervensystemen entstehen können — und dass einfache, an Alltags-Technologien wie dem Morsecode inspirierte Experimente grundlegende Prinzipien tierischer Intelligenz aufdecken können. Insgesamt liefert die Arbeit neue, gut abgesicherte Belege dafür, dass Hummeln nicht nur auf räumliche oder chemische Reize reagieren, sondern auch feinfühlig mit zeitlichen Signalen umgehen können, was die Bandbreite ihrer Wahrnehmungs- und Lernleistungen erweitert.
Quelle: sciencealert
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