Maschinelles Sehen entschlüsselt Wackeltänze von Honigbienen

Die moderne Gesellschaft ist auf eine sichere und zuverlässige Lebensmittelversorgung angewiesen. Diese Versorgung ist ein komplexes System, das seinerseits von einer Vielzahl anderer Systeme abhängt, von landwirtschaftlichen Verfahren bis hin zu Vertriebsnetzen. Es wird viel Arbeit investiert, um diese Systeme robust zu halten.

Doch 2007 tauchte eine unerwartete Bedrohung der Lebensmittelversorgung auf. Bis zu 70 Prozent der europäischen Honigbienenvölker in Nordamerika starben plötzlich. Honigbienen bestäuben eine Vielzahl essbarer Pflanzen, und ihr Absterben könnte die Nahrungsmittelproduktivität schnell und stark beeinträchtigen. Biologen haben über mögliche Ursachen gerätselt, etwa Pestizide namens Neonicotinoide und eine Krankheit, die durch das israelische akute Lähmungsvirus ausgelöst wird. Aber wie genau Honigbienenvölker in Zukunft geschützt werden können, ist nicht klar.

Eines ist jedoch sicher. Biologen brauchen bessere Möglichkeiten, um diese Kreaturen und die Art und Weise, wie sie Pflanzen in ihrer Nachbarschaft bestäuben, zu untersuchen. Es stellt sich heraus, dass Bienen gut darin sind, genau mitzuteilen, wo sie sich aufgehalten haben. Ihr berühmter Wackeltanz codiert die Richtung und Entfernung von Nahrungsquellen, damit auch andere Bienen diese Quellen nutzen können.



Einer der großen Durchbrüche im Tierverhalten war die Entschlüsselung dieses Tanzes in den 1920er Jahren durch den deutschen Biologen Karl von Frisch, der für seine Bemühungen einen Nobelpreis erhielt. Aber dieser Dekodierungsprozess erfordert, dass ein Mensch die Ausrichtung und Dauer des Tanzes misst.

Und obwohl Videoaufzeichnungstechniken dies einfacher gemacht haben, ist es immer noch eine zeitaufwändige Aufgabe, die nur von wenigen Bienen in kleinem Maßstab durchgeführt werden kann. Daher würden Biologen sehr gerne einen besseren Weg finden, um Wackeltänze von Honigbienen zu entschlüsseln.

Geben Sie Tim Landgraf und seine Freunde an der Freien Universität Berlin in Deutschland ein. Diese Jungs haben ein neuronales Netzwerk entwickelt, das Wackeltänze von Honigbienen automatisch entschlüsseln kann. Wir haben ein System entwickelt, das in der Lage ist, Kommunikationstänze in Echtzeit automatisch zu erkennen, zu decodieren und abzubilden, heißt es. Die neue Methode hat das Potenzial, die Untersuchung der Nahrungssuche von Honigbienen zu revolutionieren.

Das Waggle-Dance-Decodierungssystem ist im Prinzip einfach. Es besteht aus einer Videokamera, die die Bewegung von Bienen auf einer Wabe aufzeichnet. Dies mag wie eine brodelnde Masse zufälliger Bewegung aussehen, aber hier herrscht eine beträchtliche Ordnung.

Die Wackeltänze selbst sind sehr geordnet. Eine Honigbiene beginnt ihren Tanz, indem sie ihren Körper mit einer Geschwindigkeit von etwa 13 Hz von einer Seite zur anderen wackelt, während sie sich in einer geraden Linie vorwärts bewegt. Danach folgt eine Rückkehrphase, in der die Biene zu ihrem Ausgangspunkt zurückkreist. Die Ausrichtung dieses Tanzes relativ zur Sonne codiert die Richtung der Nahrungsquelle, während die Länge des Tanzes die Entfernung codiert.

Der Waggle-Dance-Decoder ist ein Bildverarbeitungssystem, das zunächst die Videobilder nach den charakteristischen 13-Hz-Wackeln durchsucht. Sind diese gefunden, isoliert ein neuronales Netzwerk die Biene und ihren Tanz. Andere Algorithmen berechnen dann die Tanzrichtung und -dauer und ermitteln schließlich die Position der Nahrungsquelle.

In Tests an Bienen, die darauf trainiert wurden, eine bekannte Nahrungsquelle etwa 300 Meter von einem Bienenstock entfernt zu besuchen, sagten Landgraf und Co, dass ihr System die Position der Nahrungsquelle über 90 Prozent der Zeit genau identifizierte. Das ist genauso gut wie menschliche Beobachter. Aber entscheidend ist, dass das maschinelle Sichtsystem über viel längere Zeiträume an viel größeren Bienengruppen arbeiten kann.

Landgraf und Co sagen, dass sie einige Verbesserungen an ihrem System vornehmen wollen, wie zum Beispiel, es noch genauer und benutzerfreundlicher zu machen. Diese sollten unkompliziert sein.

Darüber hinaus ist es nicht schwer zu erkennen, wie ein solches System in großem Maßstab zu relativ geringen Kosten eingesetzt werden könnte. Das wird es Biologen ermöglichen, das Verhalten von Bienen viel detaillierter und in viel größerem Maßstab als je zuvor zu untersuchen. Es könnte für Landwirte sogar machbar sein, in Echtzeit zuzusehen, wie ihre Pflanzen bestäubt werden, und so Anstrengungen zu unternehmen, um zu helfen, wenn die Dinge nicht nach Plan laufen.

Dies könnte dazu beitragen, die Probleme der Koloniekollapsstörung zu lösen, während sie auftritt, und dazu beitragen, die Nahrungsversorgung zu sichern, auf die wir alle angewiesen sind.

Ref: arxiv.org/abs/1708.06590 : Automatische Erkennung und Dekodierung von Honeybee Waggle Dances

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