Blog

Jul 01, 2023

Slime Mould baut sein Netzwerk genauso aus wie das Tokioter Schienensystem

Laura Sanders, Science News Talentierte und engagierte Ingenieure haben unzählige verbracht

Laura Sanders, Wissenschaftsnachrichten

Talentierte und engagierte Ingenieure haben unzählige Stunden damit verbracht, das japanische Eisenbahnsystem zu einem der effizientesten der Welt zu machen. Hätte einfach einen Schleimpilz fragen können.

Wenn ihnen Haferflocken präsentiert werden, die im Muster japanischer Städte rund um Tokio angeordnet sind, bauen hirnlose, einzellige Schleimpilze Netzwerke aus Nährstoffkanälen auf, die der Anordnung des japanischen Eisenbahnsystems auffallend ähneln, berichten Forscher aus Japan und England im Januar. 22 in Naturwissenschaften. Ein neues Modell, das auf den einfachen Regeln des Verhaltens des Schleimpilzes basiert, könnte zum Entwurf effizienterer, anpassungsfähigerer Netzwerke führen, so das Team.

Jeden Tag muss das Schienennetz rund um Tokio den Anforderungen des Massentransports gerecht werden und Millionen von Menschen schnell und zuverlässig zwischen entfernten Punkten befördern, stellt Studienkoautor Mark Fricker von der Universität Oxford fest. „Im Gegensatz dazu verfügt der Schleimpilz weder über ein zentrales Gehirn noch über ein Bewusstsein für das Gesamtproblem, das er zu lösen versucht, sondern schafft es, eine Struktur mit ähnlichen Eigenschaften wie das reale Schienennetz zu erzeugen.“

Der gelbe Schleimpilz Physarum polycephalum wächst als einzelne Zelle, die groß genug ist, um mit bloßem Auge gesehen zu werden. Wenn es auf zahlreiche räumlich getrennte Nahrungsquellen trifft, umgibt die Schleimpilzzelle die Nahrung und bildet Tunnel zur Verteilung der Nährstoffe. In dem Experiment platzierten Forscher unter der Leitung von Toshiyuki Nakagaki von der Hokkaido-Universität in Sapporo, Japan, Haferflocken (eine Schleimpilz-Delikatesse) in einem Muster, das die Art und Weise nachahmte, wie Städte in Tokio verstreut sind, und ließen dann den Schleimpilz los.

Zunächst verteilte sich der Schleimpilz gleichmäßig um die Haferflocken und erkundete sein neues Revier. Doch innerhalb weniger Stunden begann der Schleimpilz, sein Muster zu verfeinern und verstärkte die Tunnel zwischen den Haferflocken, während die anderen Verbindungen nach und nach verschwanden. Nach etwa einem Tag hatte der Schleimpilz ein Netzwerk aus miteinander verbundenen Nährstofftransportschläuchen aufgebaut. Sein Design ähnelte fast dem des Eisenbahnsystems rund um Tokio, mit einer größeren Anzahl starker, widerstandsfähiger Tunnel, die zentral gelegene Haferflocken miteinander verbanden. „Es gibt einen bemerkenswerten Grad an Überschneidungen zwischen den beiden Systemen“, sagt Fricker.

Anschließend entlehnten die Forscher einfache Eigenschaften aus dem Verhalten des Schleimpilzes, um eine von der Biologie inspirierte mathematische Beschreibung der Netzwerkbildung zu erstellen. Wie der Schleimpilz erstellt das Modell zunächst ein feinmaschiges Netzwerk, das überall verläuft, und verfeinert das Netzwerk dann kontinuierlich, sodass die Röhren, die die meiste Ladung transportieren, robuster werden und überflüssige Röhren beschnitten werden.

Das Verhalten des Plasmodiums „ist wirklich schwer in Worte zu fassen“, kommentiert der Biochemiker Wolfgang Marwan von der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. „Man sieht, sie optimieren sich irgendwie, aber wie beschreibt man das?“ Die neue Forschung „liefert ein einfaches mathematisches Modell für ein komplexes biologisches Phänomen“, schrieb Marwan in einem Artikel in derselben Ausgabe von Science.

Fricker weist darauf hin, dass ein solches formbares System nützlich sein könnte, um Netzwerke zu schaffen, die sich im Laufe der Zeit ändern müssen, beispielsweise drahtlose Systeme mit Sensoren für kurze Entfernungen, die frühzeitig vor Bränden oder Überschwemmungen warnen würden. Da diese Sensoren im Katastrophenfall zerstört werden, muss das Netzwerk Informationen schnell und effizient umleiten. Dezentrale, anpassungsfähige Netzwerke wären auch wichtig für Soldaten auf Schlachtfeldern oder Roboterschwärme, die gefährliche Umgebungen erkunden, sagt Fricker.

Das neue Modell könnte Forschern auch dabei helfen, biologische Fragen zu beantworten, etwa wie Blutgefäße wachsen, um Tumore zu unterstützen, sagt Fricker. Das Gefäßnetzwerk eines Tumors ist zunächst ein dichtes, unstrukturiertes Gewirr und verfeinert dann seine Verbindungen, um effizienter zu sein.

Bilder: Wissenschaft/AAAS

Siehe auch:

Will Knight

WIRED-Mitarbeiter

Andy Greenberg

Amy Martyn