DER ERSTE BLICK AUF EINEN EINZELNEN PHEROMONTROPFEN EINER AMEISE

Wenn eine Ameise der Art Lasius niger Futter findet, macht sie sich auf den Heimweg und hinterlässt eine Duftspur. Sie senkt ihren Hinterleib zum Boden und setzt winzige Tröpfchen Pheromon ab, eine chemische Botschaft, die ihre Nestgenossinnen zur Quelle führt. Solche Spuren wurden bereits 1779 beschrieben. Sie sind zum Lehrbuchbeispiel für Selbstorganisation geworden und haben eine ganze Familie von Computerverfahren inspiriert: die Ameisenalgorithmen (Ant Colony Optimization).

Der Tropfen, den niemand gesehen hatte

Die Grundeinheit der Spur war jedoch nie beobachtet worden. Forschende schließen auf die Stärke einer Spur aus dem Ameisenverkehr oder aus dem Legeverhalten und nehmen an, dass jeder Tropfen gleich ist. Das Volumen einer Ablage, wie schnell sie verdunstet, die tatsächliche Konzentration einer natürlichen Spur: alles unbekannt. Selbst das Lösungsmittel, aus dem der Großteil eines Tropfens besteht, war nie identifiziert worden.

Laure-Anne Poissonnier, Pierre Bon und ihre Kollegen am Institut XLIM (CNRS und Universität Limoges) wollten diese Tropfen direkt sehen.

Einen Tropfen mit Licht wiegen

Die Ameisen, Lasius niger, stammten aus einer Kolonie, die eine 2020 in Toulouse gesammelte Königin gegründet hatte. Nach einigen Tagen ohne Futter wurden Arbeiterinnen auf eine 57 Millimeter lange hängende Glasbrücke gelassen, an deren anderem Ende Zuckerwasser stand.

Die Ablagen sind durchsichtig, daher nutzte das Team die quantitative Phasenbildgebung (quantitative phase imaging): ein interferometrisches Verfahren, das misst, wie stark ein durchsichtiges Objekt das hindurchtretende Licht verzögert. Unter Annahme eines Brechungsindex ergibt diese Verzögerung die örtliche Dicke, auf etwa 20 % genau. Kein Farbstoff, keine Berührung. Eine erste Kamera filmte einen festen Abschnitt der Brücke mit bis zu 250 Bildern pro Sekunde; anschließend tastete ein Mikroskop mit motorisiertem Tisch die gesamte Brücke ab.

Eine Flüssigkeit, die verschwindet, ein Feststoff, der bleibt

Die ersten Tropfen wurden live erfasst, als sie den Hinterleib verließen. Sie waren flüssig. Einer schrumpfte in etwa 120 Millisekunden von 0,4 auf 0,15 Pikoliter. Ein anderer, viermal größerer, schrumpfte mit einer Zeitkonstante von 11 Sekunden von 1,7 auf 0,4 Pikoliter. Ein Pikoliter ist ein Billionstel Liter.

Zurück bleibt ein flacher, fester Fleck von etwa 80 Mikrometern Breite und nur einigen zehn bis einigen hundert Nanometern Dicke. Über mehr als eine Stunde unter dem Mikroskop verfolgt, verlor ein solcher Fleck langsam etwa 10 % seines Volumens, mit einer Zeitkonstante von 63 Minuten – nahe an der bekannten Zeitspanne, in der Spuren von Lasius niger aktiv bleiben. Ein fester Rückstand war 24 Stunden später noch vorhanden.

Die Autoren deuten das als drei Bestandteile:

• ein Lösungsmittel, das den Großteil des Tropfens ausmacht und in Sekunden verdunstet – übersehen von den üblichen chemischen Analysen, die die Spur erst nachträglich einsammeln;
• ein Feststoff, der langsam sublimiert, also direkt in Gas übergeht. Sie vermuten Isocumarin, ein Molekül, von dem bekannt ist, dass es diese Ameisen einer Spur folgen lässt;
• ein stabiler Rückstand, der als Haltematrix dienen und den Duft an Ort und Stelle halten könnte.

Wenn das gesamte sublimierte Material einer Ablage Isocumarin ist, entspricht das etwa 26 Pikogramm oder 110 Milliarden Molekülen, die in die Luft abgegeben werden.

Die Ameise zu beobachten reicht nicht

Üblicherweise zählen Forschende Tropfen, indem sie auf die typische Krümmung des Hinterleibs achten. Das Team filmte Ameisen von oben und von der Seite und tastete dann die Brücke ab. Bei einer repräsentativen Ameise wurden 7 Legehaltungen beobachtet: 6 entsprachen einer echten Ablage, eine entsprach nichts, selbst bei Suche mit höherer Empfindlichkeit. Das Verhalten ist ein nützlicher, aber unvollkommener Anhaltspunkt.

Kein Tropfen gleicht dem anderen

Dann kam die größte Überraschung. Bei fünf Ameisen unterschieden sich die Ablagen in Form, Fläche und Volumen:

• mittlere Fläche (Median): 4.300 Quadratmikrometer, mit zehnfacher Schwankung;
• mittleres Volumen (Median): 0,68 Pikoliter, von unter 0,2 bis über 4 – mehr als das 20-Fache;
• rund oder birnenförmig, je nachdem, wie die Ameise ihren Hinterleib schleifen ließ.

Ein statistisches Modell schrieb etwa 90 % der Schwankung Unterschieden zwischen einzelnen Ameisen zu. Die verbreitete Annahme identischer Ablagen ist falsch, zumindest bei dieser Art.

Spurspezialistinnen?

Wenn diese individuellen Unterschiede über die Zeit stabil sind, könnten manche Arbeiterinnen eine überproportionale Rolle beim Bau der Spuren spielen. Die Autoren wollen die gemessenen Werte in Modelle kollektiven Verhaltens und in Optimierungsalgorithmen einspeisen und herausfinden, welche kleinste Menge eine Ameise wahrnehmen kann. Über die reine Biologie hinaus verweisen sie auf praktische Anwendungen: Köder gegen invasive Ameisen nutzen die Rekrutierung, die Spuren auslösen, und Pheromone werden in der Landwirtschaft zunehmend als gezielte Alternative zu Pestiziden eingesetzt.