Zeitung Heute: Ein Tänzchen mit der Biene wagen

von Carsten Wette
21.04.2012 Der Tagesspiegel – Berlin, Beilage FU-Berlin, Neues aus Wissenschaft und Forschung,

Anke Schumann, Stephan Pramme, weitere Fotos von Michael Oertel, Tim Landgraf (im Internet nicht abgebildet)
Biologen und Informatiker der Freien Universität erforschen den Schwänzeltanz des Insekts mithilfe einer Roboterbiene.

Kennen Sie ‚Summ, summ, summ, Bienchen summ herum‘?“ Raúl Rojas lacht. Der Informatik-Professor der Freien Universität erkennt das Kinderlied nicht auf Anhieb. Doch was ist ein Lied schon gegen sein Wissen über die Sprache der Bienen untereinander? Das meiste davon hat er von Neurobiologie-Professor Randolf Menzel erfahren. Es ist die Grundlage für ein außergewöhnliches Projekt beider Wissenschaftler: Der Biologe und der Informatiker wollen mit ihren Teams den Beweis erbringen, dass Bienen untereinander bei der Suche nach Futter über einen Tanz kommunizieren. Die Erkenntnis, dass die Insekten „in Wald und Heide“ nicht ziellos „herumsummen“, gibt es seit Jahrzehnten, nur fehlt der schlagende Beweis dafür, dass durch den Tanz Informationen weitergegeben werden, und vor allem wie. Um ihn zu erbringen, haben die Wissenschaftler eine Roboterbiene entwickelt. Mit ihrer Hilfe wollen sie im Stock ein Wörtchen mitreden – und unter kontrollierten Bedingungen nachweisen, welche Signale bei dem Bewegungsritual dieser Insekten wichtig sind.

„Die biologischen Grundlagen des Bienentanzes sind durch die Arbeiten des österreichischen Verhaltensforschers Karl von Frisch eigentlich sehr gut ergründet“, sagt Randolf Menzel. Karl von Frisch (1886–1982) fand kurz nach dem Zweiten Weltkrieg etwas heraus, das noch heute wohl jeder Schüler im Biologie-Unterricht lernt: Ausgeschwärmte Bienen teilen nach der Rückkehr in den Stock anderen Arbeiterinnen tanzend mit, wo es etwas zu futtern gibt und ob das Angebot gut ist: bei Entfernungen bis 100 Metern durch einen einfachen Rundtanz; bei Flugweiten von mehreren Kilometern durch einen komplexen, ritualisierten Schwänzeltanz. Die Flugrichtung zur Quelle wird dabei auf den Stand der Sonne bezogen übersetzt und getanzt. Doch obwohl von Frisch unter anderem für seine Erkenntnisse über diese Art der Verständigung von Bienen 1973 den Nobelpreis erhielt, gibt es Skeptiker. „Eine Gruppe von Forschern weltweit argumentiert heftig gegen alle Veröffentlichungen zum Bienentanz“, sagt Menzel. Sie glauben nicht, dass Bienen einander auch im finsteren Stock einen Ort mitteilen können. Sie bezweifeln, dass die Insekten für ihre Kommunikation den Stand der Sonne nutzen, obwohl sie im Stock nicht sichtbar ist – sie wird dort quasi mitgedacht und von Frisch zufolge in die Richtung relativ zur Schwerkraft übersetzt. Bestritten wird auch, dass die Länge der getanzten Choreografie die Entfernung der Futterstelle anzeigt – und dass die Intensität des Tanzes gar Rückschlüsse auf deren Qualität zulässt. Für diese Wissenschaftler ist der Bienentanz ein Hirngespinst; sie glauben an Zufälle oder den Einfluss von Duftspuren. Doch wenn von Frisch recht hatte: Wie nehmen Bienen Signale im dunklen Stock auf? Welche sind wichtig?

Der Einsatz einer Roboterbiene ist eine Idee zum Kopfschütteln. Eigentlich. Doch Randolf Menzel und Raúl Rojas verbindet eine mehr als 18-jährige Forscherfreundschaft – und nichts scheint unmöglich, wenn man einen Einblick in den Forscherdrang des weltweit renommierten Biologen und Leibnizpreisträgers bekommt und erfährt, dass der 72-Jährige seit fast 50 Jahren die neuronalen Grundlagen von Lernen und Gedächtnis hauptsächlich an Bienen untersucht. Nichts scheint ausgeschlossen, wenn man Rojas’ Entwicklungen mit künstlicher Intelligenz erlebt hat, beispielsweise ein autonomes Auto, das ohne Fahrer mithilfe von Sensoren mitten durch Berlin fährt.

Gleichwohl war das 2007 begonnene Projekt kein leichtes Tänzchen. Die Forscher konstruierten keine fliegende Biene, sondern eine, die über dünne Stangen von außen im Stock platziert wird und dort an einer senkrechten Wabe tanzt. „Um einen solchen Bienenroboter bauen und programmieren zu können, muss man die biologischen Grundlagen verstehen“, betont Rojas, „hier waren die in Jahrzehnten gewonnenen Erkenntnisse von Randolf Menzel unverzichtbar.“ Von Rojas und seinen Informatik-Doktoranden wiederum flossen in die Steuerung der künstlichen Biene Informationen ein, die sich aus der Analyse einer großen Zahl aufgezeichneter Tänze echter Bienen ergaben. Selbst ein Sonnenkompass wurde für den Tanz des Roboters programmiert. Schwieriger als die Entwicklung der Software sei die der Hardware gewesen, sagt Rojas, „unsere ersten Prototypen waren zu schwer“. Die Forscher standen vor einem Dilemma: Sie mussten dem Roboter durch den Einbau einzelner Komponenten viele Funktionen ermöglichen, damit er von echten Bienen angenommen wird; gleichzeitig mussten sie ihn leichthalten, damit er beim Wackeln mit dem Hinterleib seine lebenden Artgenossen nicht verletzt. Die Forscher verwendeten deshalb Plastik – ein leichtes Material, das den Geruch des Bienenstocks annimmt. Stück für Stück wurden Funktionen außerhalb des Körpers verlagert, die Roboterbiene selbst wiegt jetzt nur noch ein knappes Gramm – zehnmal so viel wie eine echte Biene.
Zur Täuschung der echten Bienen griffen die Wissenschaftler tief in die Trickkiste: Geräusche, die tanzende Bienen erzeugen, kommen aus einem Minilautsprecher oberhalb des Roboters. Das Flattern der Flügel wird – durch Stangen von außerhalb übertragen – von einem Motor ausgelöst, der Handys zum Vibrieren bringt. Duftstoffe, die tanzende Bienen erzeugen, werden von oben in den Stock geblasen. Auch hier überließen die Forscher nichts dem Zufall: „Chemiker der Freien Universität synthetisierten nach den Vorgaben der Biologen drei Duftstoffe“, sagt Rojas. Sogar eine Futterprobe kann der Roboter anbieten, wenn seinem Tanz gefolgt wird – wie im wahren Bienenleben. Zwei Mini-Motoren quetschen einen Tropfen Zuckerlösung aus einer Kanüle. Die Robobiene hat selbst die Körpertemperatur einer echten: Die Forscher bauten in ihren Körper eine Heizung ein. Der Clou der Funktionen für die Experimente: Sie können einzeln an- und abgeschaltet werden. Bei groben Verstößen der Wissenschaftler gegen die Regeln der Tierwelt waren die echten Bienen dem Eindringling gegenüber unerbittlich: „Einmal haben sie Klebstoffreste an der Roboterbiene gerochen. Sie wurden aggressiv und fingen an, sie zu stechen“, sagt Rojas. Durch die Erfahrungen der Biologen über das, was Bienen akzeptieren, konnten Schwachstellen gefunden und vermieden werden.

Seit 2011 kann die Roboterbiene die Lagebeschreibung einer Futterstelle tanzen, die die Wissenschaftler in mehreren hundert Metern Entfernung einrichten. Auf einem Areal in Klein Lüben in Brandenburg begannen dazu im Sommer die Experimente. Für die Beteiligten kein Zuckerschlecken, wie Randolf Menzel betont: „Bis zu 15 Leute haben drei Monate lang im Gelände Tag und Nacht und ohne freies Wochenende intensiv geforscht.“ Für die Experimente klebten die Wissenschaftler den Bienen im Stock kleine Nummern auf den Körper, legten eine Futterstelle an, codierten die Informationen über deren Ort und ließen die Robobiene im Stock tanzen.

„Wir sind nicht die einzigen, die mit Robotern an Bienen forschen“, sagt Randolf Menzel. Schon vor 20 Jahren habe der dänische Physiker Axel Michelsen eine weit weniger komplexe Biene eingesetzt. Menzel und Michelsen sind sich freundschaftlich verbunden; die damaligen Ergebnisse müssen aber noch verbessert werden. „Michelsens Roboter war für die Bienen nicht recht überzeugend, es konnte nicht beobachtet werden, dass die Bienen dem Roboter aufmerksam folgten.“
Hier sind das Team um Menzel und Rojas einen großen Schritt weiter. Denn während des Robotertanzes beobachtet ein Mitarbeiter den rot ausgeleuchteten Stock – diese Farbe ist für Bienenaugen unsichtbar. Bienen, die dem Tanz folgen und ausschwärmen, werden anhand ihrer Nummer identifiziert, beim Ausfliegen gefangen und mit einer Mini-Antenne versehen, die sie beim Fliegen nicht behindert. Im Freien beobachten Mitarbeiter sie kontinuierlich mithilfe eines besonderen Radargerätes, das Menzel schon vor Jahren entwickelt hat. Es zeigte sich, dass viele vom Roboter instruierte Bienen tatsächlich ihr Ziel fanden.

Raúl Rojas und Randolf Menzel freuen sich über dieses Zwischenergebnis. „Die meisten Störfaktoren haben wir ausgeschaltet“, sagt Rojas, „es gibt Bienen, die dem Tanz folgen – wenn auch noch viele merken, dass da etwas nicht stimmt.“ Für Menzel ist die Tatsache, dass die Bienen mithilfe der vom Roboter getanzten Ortsbeschreibung ihr Ziel finden, „ein deutlicher Beweis, dass es funktioniert“. Die Effizienz echter Bienen, sich etwas mitzuteilen, habe der Roboter aber noch lange nicht erreicht. Bis vor wenigen Tagen war ein Modell der Versuchsanordnung als eines von zehn Projekten im Deutschen Bundestag zu sehen, in einer Ausstellung der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

Die wahre Roboterbiene hat den Berliner Winter gemieden und im sonnigen Kalifornien gearbeitet. Vor wenigen Tagen kehrte Tim Landgraf, ein Doktorand von Raúl Rojas, mit ihr zurück. In Dahlem und in Klein Lüben trifft er auch den Doktoranden von Randolf Menzel, Andreas Kirbach, wieder, mit dem er bereits 2011 zusammengearbeitet hat. Das Forscherteam ist zuversichtlich, dass der tanzende Roboter bald so perfekt bienenartig wird, dass er seinen lebenden Genossinnen einen Ort auch in einer unbekannten Gegend und ohne Duftsignale übermitteln kann. Wenn den Wissenschaftlern der Beweis gelänge, dass die „Blüten und Blümchen“ gar nicht gesucht werden wie im Kinderlied besungen, sondern nach den verschlüsselten Vorgaben des Bienentanzes gezielt angeflogen, wie Karl von Frisch glaubte, wäre das für Randolf Menzel mehr als ein wissenschaftlicher Erfolg: Er hat den Vater der Bienenforschung noch persönlich gekannt.

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