Wissenschaftler versuchen herauszufinden, wie Tiere einem Geruch bis zu seiner Quelle folgen

Die Aufdeckung der vielfältigen Strategien, die Tiere anwenden, könnte Ingenieuren dabei helfen, Roboter zu entwickeln, die ähnliche Aufgaben erfüllen

Dana Mackenzie, Knowable Magazine

Am 2. Oktober 2022, vier Tage nachdem Hurrikan Ian Florida getroffen hatte, lief ein Such- und Rettungsdienst-Rottweiler namens Ares durch die verwüsteten Straßen von Fort Myers, als der Moment kam, auf den er trainiert hatte. Ares nahm die Witterung eines zerstörten Hauses wahr und rannte die Treppe hinauf. Sein Begleiter folgte ihm und bahnte sich vorsichtig einen Weg durch die Trümmer.

Sie fanden einen Mann, der zwei Tage lang in seinem Badezimmer gefangen war, nachdem die Decke eingestürzt war. Etwa 152 Menschen starben in Ian, einem der schlimmsten Hurrikane Floridas, aber dieser glückliche Mann überlebte dank Ares‘ Fähigkeit, einem Geruch bis zu seinem Ursprung zu folgen .

Die Fähigkeit eines Hundes, eine unter Trümmern begrabene Person zu finden, die Fähigkeit einer Motte, einer Duftwolke zu ihrem Partner zu folgen, oder die Fähigkeit einer Mücke, das ausgeatmete Kohlendioxid zu riechen, halten wir oft für selbstverständlich. Doch die Navigation mit der Nase ist schwieriger, als es den Anschein macht, und Wissenschaftler erforschen immer noch, wie Tiere das schaffen.

„Was es schwierig macht, ist, dass sich Gerüche im Gegensatz zu Licht und Geräuschen nicht geradlinig ausbreiten“, sagt Gautam Reddy, ein Biophysiker an der Harvard University, der im Jahresrückblick 2022 eine Umfrage darüber mitverfasst hat, wie Tiere Geruchsquellen lokalisieren der Physik der kondensierten Materie. Sie können das Problem erkennen, wenn Sie eine Zigarettenrauchwolke betrachten. Zuerst steigt es auf und bewegt sich auf einer mehr oder weniger geraden Bahn, aber sehr bald beginnt es zu oszillieren und schließlich beginnt es chaotisch zu taumeln, ein Prozess, der als turbulente Strömung bezeichnet wird. Wie konnte ein Tier einen so verschlungenen Weg zurück zu seinem Ursprung zurückverfolgen?

In den letzten Jahrzehnten haben eine Reihe neuer High-Tech-Werkzeuge, die von genetischer Veränderung über virtuelle Realität bis hin zu mathematischen Modellen reichen, es ermöglicht, die olfaktorische Navigation auf völlig andere Weise zu erforschen. Es stellt sich heraus, dass die Strategien, die Tiere anwenden, sowie ihre Erfolgsquoten von einer Vielzahl von Faktoren abhängen, darunter der Körperform des Tieres, seinen kognitiven Fähigkeiten und dem Ausmaß der Turbulenzen in der Geruchswolke. Dieses wachsende Verständnis könnte Wissenschaftlern eines Tages dabei helfen, Roboter zu entwickeln, die Aufgaben erledigen können, für die wir heute auf Tiere angewiesen sind: Hunde für die Suche nach vermissten Personen, Schweine für die Suche nach Trüffeln und manchmal Ratten für die Suche nach Landminen.

Für das Problem, einen Geruch aufzuspüren, scheint es eine elementare Lösung zu geben: Schnüffeln Sie einfach herum und gehen Sie in die Richtung, in der der Geruch am stärksten ist. Fahren Sie fort, bis Sie die Quelle gefunden haben.

Diese Strategie – Gradientensuche oder Chemotaxis genannt – funktioniert recht gut, wenn die Geruchsmoleküle in einem gut gemischten Nebel verteilt werden, was das Endstadium eines Prozesses ist, der als Diffusion bezeichnet wird. Die Diffusion erfolgt jedoch sehr langsam, sodass eine gründliche Durchmischung lange dauern kann. In den meisten natürlichen Situationen strömen Gerüche in einem schmalen und scharf abgegrenzten Strom oder einer Wolke durch die Luft. Solche Wolken und die Gerüche, die sie transportieren, breiten sich viel schneller aus, als dies durch Diffusion der Fall wäre. In mancher Hinsicht sind das gute Nachrichten für ein Raubtier, das es sich nicht leisten kann, stundenlang zu warten, um seine Beute aufzuspüren. Aber die Nachrichten sind nicht nur gut: Geruchswolken sind fast immer turbulent, und turbulente Strömungen machen die Suche nach dem Gefälle äußerst ineffizient. Zu jedem Zeitpunkt ist es durchaus möglich, dass die Richtung, in der der Duft am schnellsten zunimmt, von der Quelle weg zeigt.

Tiere können auf eine Vielzahl anderer Strategien zurückgreifen. Fluginsekten wie Motten verfolgen auf der Suche nach einem Partner eine „Cast-and-Surge“-Strategie, eine Form der Anemotaxis oder einer auf Luftströmungen basierenden Reaktion. Wenn ein Männchen die Pheromone eines Weibchens erkennt, fliegt es sofort gegen den Wind, vorausgesetzt, es weht Wind. Wenn er den Geruchssinn verliert – was wahrscheinlich passieren wird, insbesondere wenn er weit von der Frau entfernt ist – beginnt er, sich im Wind von einer Seite zur anderen zu „werfen“. Wenn er die Wolke wieder findet, fliegt er wieder gegen den Wind (die „Welle“) und wiederholt dieses Verhalten, bis er das Weibchen sieht.

Einige landgebundene Insekten wenden möglicherweise eine Strategie namens Tropotaxis an, die man sich als Riechen in Stereo vorstellen kann: Vergleichen Sie die Stärke des Geruchs an den beiden Antennen und drehen Sie sich in Richtung der Antenne, die das stärkste Signal erhält. Säugetiere, deren Nasenlöcher typischerweise im Verhältnis zur Körpergröße enger beieinander liegen als die Antennen eines Insekts, nutzen oft eine Vergleichsstrategie namens Klinotaxis: Drehen Sie Ihren Kopf und schnüffeln Sie auf der einen Seite, drehen Sie Ihren Kopf und schnüffeln Sie auf der anderen Seite und Drehen Sie Ihren Körper in Richtung des stärkeren Geruchs. Dies erfordert ein etwas höheres Erkenntnisniveau, da die Erinnerung an den letzten Schnüffelvorgang gespeichert werden muss.

Geruchsempfindliche Roboter verfügen möglicherweise über eine andere Strategie, auf die sie zurückgreifen können – eine, auf die die Natur vielleicht nie gekommen wäre. Im Jahr 2007 schlug der Physiker Massimo Vergassola von der École Normale Supérieure in Paris eine Strategie namens Infotaxis vor, bei der der Geruchssinn auf das Informationszeitalter trifft. Während die meisten anderen Strategien rein reaktiv sind, erstellt der Navigator bei Infotaxis ein mentales Modell davon, wo sich die Quelle angesichts der zuvor gesammelten Informationen am wahrscheinlichsten befindet. Es bewegt sich dann in die Richtung, die die meisten Informationen über die Quelle des Geruchs liefert.

Der Roboter bewegt sich entweder in die wahrscheinlichste Richtung der Quelle (unter Ausnutzung seines Vorwissens) oder in die Richtung, über die er am wenigsten Informationen hat (auf der Suche nach weiteren Informationen). Ziel ist es, die Kombination aus Ausbeutung und Erkundung zu finden, die den erwarteten Informationsgewinn maximiert. In den frühen Stadien ist die Erkundung besser; Je näher der Navigator der Quelle kommt, desto besser ist die Ausbeutung. In Simulationen reisen Navigatoren, die diese Strategie anwenden, auf Pfaden, die den Flugbahnen von Motten sehr ähneln.

In Vergassolas frühester Version muss der Navigator eine mentale Karte seiner Umgebung erstellen und eine mathematische Größe namens Shannon-Entropie berechnen, ein Maß für die Unvorhersehbarkeit, das in Richtungen, die der Navigator nicht erkundet hat, hoch und in Richtungen, die er erkundet hat, niedrig ist. Dies erfordert wahrscheinlich kognitive Fähigkeiten, die Tiere nicht besitzen. Aber Vergassola und andere haben neuere Versionen von Infotaxis entwickelt, die weniger rechenintensiv sind. Ein Tier zum Beispiel „kann Abkürzungen akzeptieren und die Lösung vielleicht auf 20 Prozent genau annähern, was ziemlich gut ist“, sagt Vergassola, Mitautor des Artikels „Annual Reviews“.

Infotaxis, Klinotaxis, Tropotaxis, Anemotaxis … welche Taxis bringen Sie zuerst an Ihr Ziel? Eine Möglichkeit, das herauszufinden, besteht darin, über qualitative Beobachtungen des Tierverhaltens hinauszugehen und ein virtuelles Lebewesen zu programmieren. Forscher können dann die Erfolgsquote verschiedener Strategien in verschiedenen Situationen sowohl in der Luft als auch im Wasser ermitteln. „Wir können weit mehr Dinge manipulieren“, sagt Bard Ermentrout, Mathematiker an der University of Pittsburgh und Mitglied von Odor2Action, einer 72-köpfigen Forschungsgruppe, die von John Crimaldi, einem Fluiddynamiker an der University of Colorado, Boulder, organisiert wird. Forscher können beispielsweise testen, wie gut die Strategie einer Fliege unter Wasser funktionieren würde, oder sie können die Turbulenzen der Flüssigkeit erhöhen und sehen, wann eine bestimmte Suchstrategie zu scheitern beginnt.

Bisherige Simulationen zeigen, dass bei geringer Turbulenz sowohl Stereo-Riechen als auch Vergleichskäufe die meiste Zeit funktionieren – obwohl ersteres erwartungsgemäß besser bei Tieren mit weit auseinander liegenden Sensoren funktioniert (man denke an Insekten) und letzteres besser bei Tieren mit eng beieinander liegende Sensoren (denken Sie an Säugetiere). Bei starken Turbulenzen schneidet ein simuliertes Tier jedoch bei beiden Ansätzen nicht gut ab. Doch echte Mäuse scheinen von einer turbulenten Wolke kaum beunruhigt zu sein, wie Laborexperimente zeigen. Dies deutet darauf hin, dass Mäuse möglicherweise immer noch über Tricks verfügen, von denen wir nichts wissen, oder dass unsere Beschreibung der Klinotaxis zu einfach ist.

Darüber hinaus können Simulationen Ihnen zwar sagen, was ein Tier tun könnte, aber sie sagen nicht unbedingt, was es tut. Und wir haben immer noch keine Möglichkeit, das Tier zu fragen: „Was ist Ihre Strategie?“ Aber High-Tech-Experimente mit Fruchtfliegen kommen diesem Traum im Stil von Dr. Dolittle immer näher.

Fruchtfliegen sind in vielerlei Hinsicht ideale Organismen für die Geruchsforschung. Ihre Geruchssysteme sind einfach und verfügen nur über etwa 50 Arten von Rezeptoren (im Vergleich zu etwa 400 beim Menschen und mehr als 1.000 bei Mäusen). Auch ihre Gehirne sind relativ einfach, und die Verbindungen zwischen Neuronen in ihrem Zentralhirn wurden kartiert: Das Konnektom der Fruchtfliege, eine Art Schaltplan für ihr Zentralhirn, wurde 2020 veröffentlicht. „Man kann jedes Neuron nachschlagen und sehen, wen.“ es ist damit verbunden“, sagt Katherine Nagel, Neurowissenschaftlerin an der New York University und ein weiteres Mitglied des Odor2Action-Teams. Früher war das Gehirn eine Black Box; Jetzt können Forscher wie Nagel die Zusammenhänge einfach nachschlagen.

Eines der Rätsel bei Fliegen besteht darin, dass sie offenbar eine andere Version der „Surge-and-Cast“-Strategie anwenden als Motten. „Wir haben festgestellt, dass Fliegen, wenn sie auf eine Geruchswolke treffen, sich normalerweise in Richtung der Mittellinie der Geruchswolke drehen“, sagt Thierry Emonet, Biophysiker an der Yale University. Sobald sie die Mittellinie gefunden haben, liegt die Quelle höchstwahrscheinlich direkt in Windrichtung. „[Wir] fragten: Woher zum Teufel weiß die Fliege, wo sich die Mitte der Wolke befindet?“

Emonet und sein Mitarbeiter Damon Clark (ein Physiker, dessen Labor nebenan liegt) haben diese Frage mit einer genialen Kombination aus virtueller Realität und gentechnisch veränderten Fliegen beantwortet. In den frühen 2000er Jahren entwickelten Forscher mutierte Fliegen mit Riechneuronen, die auf Licht reagieren. „Es verwandelt die Antenne in ein primitives Auge, sodass wir den Geruchssinn auf die gleiche Weise untersuchen können, wie wir das Sehen untersuchen“, sagt Clark.

Damit wurde eines der größten Probleme in der Geruchsforschung gelöst: Normalerweise kann man die Geruchswolke, auf die ein Tier reagiert, nicht sehen. Jetzt können Sie es nicht nur sehen, sondern auch einen Film jeder gewünschten Geruchslandschaft projizieren. Die gentechnisch veränderte Fliege wird diese virtuelle Realität als Geruch wahrnehmen und entsprechend darauf reagieren. Eine weitere Mutation machte die Fliegen blind, sodass ihr tatsächliches Sehvermögen den visuellen „Geruch“ nicht beeinträchtigte.

In ihren Experimenten steckten Clark und Emonet diese gentechnisch veränderten Fliegen in einen Behälter, der ihre Bewegung auf zwei Dimensionen beschränkt. Nachdem sich die Fliegen an die Arena gewöhnt hatten, präsentierten ihnen die Forscher eine visuelle Geruchslandschaft bestehend aus bewegten Streifen. Sie stellten fest, dass die Fliegen immer auf die entgegenkommenden Streifen zuliefen.

Als nächstes präsentierten Clark und Emonet eine realistischere Geruchslandschaft mit turbulenten Windungen und Wirbeln, die echten Rauchfahnen nachempfunden waren. Den Fliegen gelang es, erfolgreich in die Mitte der Wolke zu navigieren. Schließlich projizierten die Forscher einen zeitumgekehrten Film derselben Wolke, sodass die durchschnittliche Bewegung des Geruchs in der virtuellen Wolke zur Mitte hin und nicht weg davon erfolgte – ein Experiment, das mit einer echten Geruchswolke unmöglich durchgeführt werden konnte . Die Fliegen waren durch diese bizarre Weltwolke verwirrt und bewegten sich eher von der Mitte weg als darauf zu.

Clark und Emonet kamen zu dem Schluss, dass Fliegen die Bewegung von Geruchspaketen wahrnehmen müssen, wie Emonet diskrete Klumpen von Geruchsmolekülen nennt. Denken Sie einen Moment darüber nach: Wenn Sie den Grillgeruch Ihres Nachbarn riechen, können Sie dann erkennen, ob die Rauchpartikel, die an Ihrer Nase vorbeiströmen, von links nach rechts oder von rechts nach links wandern? Es ist nicht offensichtlich. Aber eine Fliege kann es erkennen – und Geruchsforscher haben diese Möglichkeit bisher übersehen.

Wie hilft die Wahrnehmung der Bewegung von Geruchsmolekülen der Fliege, das Zentrum der Wolke zu finden? Der entscheidende Punkt ist, dass zu jedem Zeitpunkt mehr Geruchsmoleküle von der Mitte der Wolke wegwandern als darauf zu. Wie Emonet erklärt: „Die Anzahl der Pakete in der Mittellinie ist höher als außerhalb davon. Es gibt also viele Pakete in der Mitte, die sich wegbewegen, und nicht so viele von außen, die sich nach innen bewegen. Jedes Paket hat einzeln die gleiche Wahrscheinlichkeit, sich in eine beliebige Richtung zu bewegen, aber insgesamt gibt es eine Streuung weg von der Mitte.“

Tatsächlich verarbeiten die Fliegen die eingehenden Sinnesinformationen auf bemerkenswert raffinierte Weise. In einer windigen Umgebung ist die Flugrichtung der Fliege tatsächlich eine Kombination aus zwei unterschiedlichen Richtungen, der Richtung des Luftstroms und der durchschnittlichen Richtung, in die sich die Geruchspakete bewegen. Mithilfe des Fliegenkonnektoms hat Nagel eine der Stellen im Gehirn lokalisiert, an der diese Verarbeitung stattfinden muss. Die windempfindlichen Neuronen der Fliege überkreuzen ihre olfaktorischen, richtungserkennenden Neuronen an einer bestimmten Stelle im Gehirn, die anschaulich als „fächerförmiger Körper“ bezeichnet wird. Zusammen sagen die beiden Neuronensätze der Fliege, in welche Richtung sie sich bewegen soll.

Mit anderen Worten: Die Fliege reagiert nicht nur auf ihre Sinneseindrücke, sondern kombiniert diese auch. Da jeder Richtungssatz das ist, was Mathematiker einen Vektor nennen, ist die Kombination eine Vektorsumme. Es sei möglich, sagt Nagel, dass die Fliegen im wahrsten Sinne des Wortes Vektoren hinzufügen. Wenn ja, führen ihre Neuronen eine Berechnung durch, die menschliche College-Studenten in der Vektorrechnung lernen.

Als nächstes will Nagel nach ähnlichen neuronalen Strukturen im Gehirn von Krebstieren suchen. „Der Geruch ist völlig anders, die Fortbewegung ist anders, aber dieser zentrale Komplexbereich bleibt erhalten“, sagt sie. „Machen sie im Grunde das Gleiche wie Fliegen?“

Während die Connectome- und Virtual-Reality-Experimente erstaunliche Erkenntnisse liefern, müssen noch viele Fragen beantwortet werden. Wie spüren Hunde wie Ares einen Geruch auf, der teilweise am Boden und teilweise in der Luft liegt? Wie teilen sie ihre Zeit zwischen dem Schnüffeln am Boden und dem Schnüffeln der Luft ein? Wie funktioniert „Schnüffeln“ überhaupt? Viele Tiere stören den Luftstrom aktiv, anstatt ihn nur passiv aufzunehmen; Mäuse zum Beispiel „quirlen“ mit ihren Schnurrhaaren. Wie nutzen sie diese Informationen?

Und welche anderen nichtmenschlichen Fähigkeiten könnten Tiere besitzen, ähnlich der Fähigkeit der Fliegen, die Bewegung eines Geruchspakets zu erkennen? Diese und viele weitere Rätsel werden Biologen, Physiker und Mathematiker wahrscheinlich noch lange nach Antworten suchen lassen.

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