Wie bewegen sich Seesterne ohne Gehirn? Die Antwort könnte die Robotik und mehr beeinflussen

Haben Sie jemals gesehen, wie sich ein Seestern bewegt? Für viele von uns scheinen Seesterne unbeweglich zu sein, wie ein Felsen auf dem Meeresboden, aber in Wirklichkeit haben sie Hunderte von Röhrenfüßen, die an ihrem Unterbauch befestigt sind. Diese Füße dehnen sich aus und ziehen sich zusammen, um sich in unwegsamem Gelände festzusetzen, sich an Beutetieren zu halten und natürlich um sich fortzubewegen.

Jeder einzelne Röhrenfuß eines Seesterns kann autonom auf Reize reagieren, aber zusammen können sie ihre Bewegung synchronisieren, um eine hüpfende Bewegung zu erzeugen – ihre Version des Laufens. Jahrelang haben sich Forscher gefragt, wie ein Seestern diese Synchronisierung erreicht, da er kein Gehirn und ein völlig dezentrales Nervensystem hat.

Die Antwort von Forschern der USC Viterbi School of Engineering wurde kürzlich im Journal of the Royal Society Interface veröffentlicht: Seesterne koppeln einen globalen Richtungsbefehl von einem „dominanten Arm“ mit individuellen, lokalisierten Reaktionen auf Reize, um eine koordinierte Fortbewegung zu erreichen. Mit anderen Worten, sobald der Seestern eine Anweisung gibt, in welche Richtung er sich bewegen soll, finden die einzelnen Füße selbst heraus, wie sie dies ohne weitere Kommunikation erreichen können.

Die Forscher, darunter Professor Eva Kanso vom USC Viterbi Department of Aerospace and Mechanical Engineering und Sina Heydari, eine USC Viterbi Ph.D.-Kandidatin, wurden von Matt McHenry, außerordentlicher Professor für Ökologie und Evolutionsbiologie an der University of California, Irvine, Amy Johnson, Professorin für Meeresbiologie am Bowdoin College, und Olaf Ellers, wissenschaftlicher Mitarbeiter für Biologie und Mathematik am Bowdoin College, unterstützt.

Die Arbeit baut auf einem bestehenden hierarchischen Modell des Verhaltens auf, geht aber bei der Erklärung, wie viel von der Fortbewegung des Seesterns lokal und wie viel global geschieht, noch weiter.

„Das Nervensystem verarbeitet nicht alles am gleichen Ort zur gleichen Zeit, sondern verlässt sich auf die Idee, dass der Seestern kompetent ist und es schon herausfinden wird“, sagt Kanso, ein Zohrab A. Kaprielian Fellow in Engineering. „Wenn ein Fuß der Röhre gegen den Boden stößt, spüren die anderen die Kraft. Diese mechanische Kopplung ist die einzige Möglichkeit, wie ein Röhrenfuß Informationen mit einem anderen austauschen kann.“

Das Nervensystem eines Seesterns ist durch einen Nervenring gekennzeichnet, der seinen Mund umgibt und über einen Radialnerv mit jedem einzelnen Arm verbunden ist. Die Muskeln jedes Röhrenfußes werden durch Neuronen stimuliert, die mit den Radial- und Ringnerven verbunden sind.

Alle Füße treten beim Krabbeln in dieselbe Richtung, aber ihre Bewegung ist nicht synchronisiert. Beim hüpfenden Gang scheinen Seesterne jedoch mehrere Dutzend Füße in zwei oder drei synchronisierten Gruppen zu koordinieren. Das Forscherteam unter der Leitung von Kanso untersuchte beide Bewegungsarten und den Übergang zwischen ihnen. Das Ergebnis ist ein Modell, das beschreibt, wie viel von der Fortbewegung eines Seesterns durch lokale sensorisch-motorische Reaktionen auf der Ebene der Röhrenfüße im Gegensatz zu globalen sensorisch-motorischen Befehlen bestimmt wird.

In der Tierwelt wird das Verhalten oft durch eines der beiden vorherrschenden Modelle der Fortbewegung beschrieben: Verhalten wie der Flug von Insekten ist das Ergebnis sensorischer Rückmeldungen, die ein zentrales Verarbeitungssystem durchlaufen, das eine Nachricht sendet, die eine Reaktion auslöst, oder es ist das Ergebnis völlig dezentralisierter, individueller Reaktionen auf sensorische Informationen wie bei Fischschwärmen oder Ameisenkolonien.

Keines dieser Modelle scheint die Bewegung eines Seesterns zu beschreiben.

„Im Fall des Seesterns scheint sich das Nervensystem auf die Physik der Interaktion zwischen dem Körper und der Umgebung zu verlassen, um die Fortbewegung zu steuern. Alle Röhrenfüße sind strukturell mit dem Seestern und somit miteinander verbunden.“

Auf diese Weise gibt es einen Mechanismus, mit dem „Informationen“ mechanisch zwischen den Röhrenfüßen übermittelt werden können. Ein einzelner Röhrenfuß bräuchte nur seinen eigenen Zustand zu spüren (Propriozeption) und entsprechend zu reagieren. Da sein Zustand mechanisch mit anderen Röhrenfüßen gekoppelt ist, arbeiten sie gemeinsam. Wenn sich die Röhrenfüße in Bewegung setzen, erzeugt jeder eine individuelle Kraft, die Teil der sensorischen Umgebung wird. Auf diese Weise reagiert jeder Röhrenfuß auch auf die von anderen Röhrenfüßen erzeugten Kräfte, und schließlich stellen sie einen Rhythmus zueinander her.

Dies ist ähnlich wie bei anderen mechanischen Modellen der Koordination. Nehmen wir zum Beispiel einen Satz mechanischer Metronome, Geräte, die Musikern helfen, den Rhythmus oder die Zeit zu halten. Man kann einen Satz von 10 Stück in verschiedenen Phasen starten und sie auf dieselbe flache Oberfläche legen. Mit der Zeit werden sie sich synchronisieren. Jedes Metronom interagiert mechanisch mit den Phasen, die von den anderen Metronomen erzeugt werden, und „kommuniziert“ auf diese Weise mit den anderen Metronomen, bis sie beginnen, in vollständigem Rhythmus und synchron zu schlagen.

Wie das Verhalten von Seesternen uns helfen kann, effizientere Robotersysteme zu entwerfen

Wenn wir verstehen, wie ein verteiltes Nervensystem wie das eines Seesterns komplexe, koordinierte Bewegungen ausführt, könnte das zu Fortschritten in Bereichen wie der Robotik führen. Bei Robotersystemen ist es relativ einfach, einen Roboter so zu programmieren, dass er sich wiederholende Aufgaben ausführt. In komplexeren Situationen, in denen eine individuelle Anpassung erforderlich ist, stoßen Roboter jedoch auf Schwierigkeiten. Wie können Roboter so programmiert werden, dass sie dieselben Vorteile für ein komplexeres Problem oder eine komplexere Umgebung bieten?

Die Antwort könnte in dem Modell des Seesterns liegen, so Kanso. „Am Beispiel eines Seesterns können wir die Steuerungen so gestalten, dass das Lernen hierarchisch ablaufen kann. Es gibt eine dezentrale Komponente sowohl für die Entscheidungsfindung als auch für die Kommunikation mit einer globalen Autorität. Dies könnte sich als nützlich erweisen, um Steuerungsalgorithmen für Systeme mit mehreren Aktoren zu entwerfen, bei denen wir einen Großteil der Steuerung an die Physik des Systems – mechanische Kopplung – delegieren und nicht an den Input oder die Intervention eines zentralen Controllers.“

Als Nächstes werden Kanso und ihr Team untersuchen, wie der globale Richtungsbefehl überhaupt zustande kommt und was passiert, wenn es konkurrierende Reize gibt.