Humboldtianer im Fokus

Mit den Augen einer Biene

Interview mit Adrian Dyer

Das Gehirn einer Biene ist etwa zehntausendmal kleiner als das eines Menschen und leistet doch Erstaunliches. Der australische Bienenforscher Adrian Dyer untersucht, wie Bienen komplexe Aufgaben lernen und sogar menschliche Gesichter erkennen können. Die Abläufe im Bienenhirn könnten zum Vorbild werden für Computersysteme zur Gesichtererkennung, etwa an Flughäfen.

Kosmos: Warum ist das Gehirn der Biene so interessant für die Forschung?
Dyer: Das Bienenhirn ist fähig, Aufgaben zu lernen, von denen man bislang annahm, dass sie ein wesentlich größeres Gehirn erfordern, zum Beispiel sich in einem Labyrinth zurechtzufinden. An sich ist die Biene vom Menschen entwicklungsgeschichtlich weit entfernt; unsere letzten gemeinsamen Vorfahren dürften vor circa 600 Millionen Jahren gelebt haben. Die Veröffentlichung des Bienen-Genoms in der Zeitschrift „Nature“ vor zwei Jahren legt jedoch einige interessante Gemeinsamkeiten nahe in der Entwicklung der Gehirne und der Fähigkeit, Probleme zu lösen.

Computersimulation: Wie Bienen ihre Welt sehen.
Computersimulation: Wie Bienen
ihre Welt sehen
A - Blume durch menschliches Auge
gesehen
B - Bienen können ultraviolette
Strahlen sehen (hell: viel UV-Reflexion).
C - Bienen haben ein anderes
trichromatisches Sehsystem. Aufnahme
durch ein simuliertes Facettenauge
einer Biene
D - Hypothetische Farbwahrnehmung
einer Biene. Die Sehschärfe
von Bienen ist im Vergleich zu der
des Menschen schlechter.
Foto: Dyer

Kosmos: Eigentlich sollte man erwarten, dass es ziemlich schwierig ist, eine Biene abzurichten und ihr das Lösen einer Aufgabe beizubringen ...
Dyer: Im Gegenteil. Bienen sind ideal, weil sie altruistisch sind und Futter für ihren gesamten Staat sammeln. Sie können täglich sieben bis acht Stunden mit einer einzelnen Biene an einer komplexen Aufgabe arbeiten und belohnen sie für richtige Entscheidungen mit einem Schlückchen Zuckerlösung. Wenn ihr Magen voll ist, fliegt sie zu ihrem Stock zurück, ist aber nur zwei Minuten später wieder zurück, um beim Experiment weiterzumachen. So ist es möglich, eine einzelne Biene über längere Zeit zu konditionieren und ausreichend Daten zu sammeln, die Aufschluss darüber geben, wie ihr Hirn komplexe visuelle Aufgaben löst.

Kosmos: Sie haben Honigbienen auf Schwarz-Weiß-Fotos von menschlichen Gesichtern abgerichtet und nachgewiesen, dass ihr winziges Hirn diese Aufgabe meistern kann. Könnten sie jedoch auch das dreidimensionale Gesicht einer lebenden Person wiedererkennen, wenn sie vorher nur auf Fotos abgerichtet wurden?
Dyer: Wir fanden heraus, dass Bienen über ein wirklich erstaunliches Lernvermögen verfügen, wenn es darum geht, neue und komplexe Aufgaben zu lösen. Um dreidimensionale Gesichter zu erkennen, wenden sie Tricks an, wie die Bildinterpolierung. Das heißt, dass sie ein neues Bild mithilfe des Wissens aus vorher gesehenen Bildern bewerten. Das muss nicht bedeuten, dass alle Bienen so etwas können. Doch das Spannende ist, dass einzelne Bienen über die neuronale Flexibilität verfügen, visuelle Probleme zu lösen, vorausgesetzt sie werden entsprechend trainiert. Daraus können wir sehr viel darüber erfahren, wie Gehirne lernen, und über neuronale Flexibilität insgesamt.

Foto: Dyer

Kosmos: Die Forschung konnte bislang noch nie solche ausgefeilten Fähigkeiten beobachten. Wie kommt es dazu, dass wir jetzt erkennen können, wozu winzige Hirne fähig sind? 
Dyer: Der Fortschritt kam Stück für Stück. Zunächst meinte man, ein winziges Hirn müsse einfach strukturiert sein und verfüge nur über feststehende Problemlöseschemata. Aber in den letzten Jahrzehnten haben verschiedene Forschungsgruppen in mehreren Studien schrittweise nachgewiesen, dass Bienen eine bemerkenswerte Lernfähigkeit haben, je nachdem welches Konditionierungssystem eingesetzt wird.

Kosmos: Wie könnten diese biologischen Lösungsansätze für den technischen Fortschritt nutzbar gemacht werden, zum Beispiel für Methoden der Gesichtererkennung? 
Dyer: Es war sehr schwierig, Algorithmen zu erzeugen, die Gesichter unter wechselnden Blickwinkeln verlässlich erkennen können. So gab es zum Beispiel bei einem Feldversuch an einem großen Flughafen in den USA, bei dem mithilfe künstlicher Intelligenz Gesichter wiedererkannt werden sollten, so viele falsche Erkennungen, dass das System im Gedränge praktisch nicht eingesetzt werden konnte – also dort, wo es eigentlich am zuverlässigsten funktionieren sollte. Das Wissen, wie biologische Systeme mit solchen visuellen Herausforderungen umgehen, verhilft Softwareentwicklern vielleicht zu einem besseren Verständnis und dadurch zu ganz neuen Lösungen oder Lösungsansätzen. Die Kernidee geht davon aus, dass winzige Gehirne möglicherweise sehr effektive Lösungsmethoden haben, die wir einfacher abbilden können als die aus den Gehirnen von Primaten. Diese sind ziemlich schwer zu verstehen und nachzubilden.

Kosmos: Bienen sehen die Welt nicht so, wie wir sie sehen. Die meisten Menschen können sich nicht vorstellen, wie sie die Dinge mit Facettenaugen statt mit den Augen eines Säugetiers wahrnehmen würden. Sie haben bei Ihren Forschungen die Sehweise von Insekten simuliert. Wie übertragen Sie jetzt Ihr Wissen auf Fotografien, um Menschen einen Eindruck zu vermitteln, auf welche Weise Bienen die Welt wahrnehmen? 
Dyer: Wenn man die Experimente sorgfältig durchführt und die physiologischen und psychophysischen Daten ebenso sorgfältig auswertet, kann man daraus durchaus ableiten, wie Bienen ihre Welt vermutlich wahrnehmen. So wissen wir, dass Bienen ultraviolette Strahlen sehen können. Bei vielen Blumen haben sich Blühmuster herausgebildet, die den Sehfähigkeiten der Bienen entsprechen, so haben beispielsweise manche Blumen Muster, die nur im ultravioletten Bereich gesehen werden können. Wir wissen auch, dass Bienen ein anderes trichromatisches Sehsystem haben und dass ihre Sehschärfe im Vergleich zu der des Menschen schlechter ist. Das macht es möglich, mit optischen Hilfsmitteln oder am Computer zu simulieren, wie Bienen ihre Welt vermutlich visuell deuten.

Kosmos: Warum haben Sie Deutschland für die Forschungszusammenarbeit gewählt? 
Dyer: Ich bin froh, zu diesem Thema in Deutschland zu forschen, weil es hier seit den Zeiten des Nobelpreisträgers Karl von Frisch bedeutende Forschungen auf diesem Gebiet gibt. In Australien, zumindest in Melbourne, wird die Forschung darüber, wie Bienen sehen können, manchmal als etwas ganz Neues angesehen, was ein wenig überrascht, da es in Australien eine Reihe von Forschungsgruppen gibt, die sich mit dem Thema beschäftigen.


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Adrian Dyer Adrian Dyer

Professor Dr. Adrian Dyer ist Sinnesphysiologe und arbeitet als Queen Elizabeth II-Forschungsstipendiat vorrangig am Institut für Physiologie der Monash University in Melbourne, Australien. Als Humboldtianer war er an den Universitäten in Würzburg (2002) und in Mainz (2004 und 2007). Das Interview wurde geführt von Verena Reinhardt, die Biologie und Englisch an der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz studiert und 2007 an den Bienenexperimenten beteiligt war.

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