Der Hoftierarzt

Forschende der Uni Hohenheim entwickeln ein Kamerasystem, das Bestäuber anhand ihres Flugmusters erkennt. Das Gerät soll Informationen für den Artenschutz liefern.

Sie werden immer seltener: Hummeln, andere Wildbienen und weitere Bestäuber. Bisher mangelt es jedoch an Daten dazu, wie es um die Insektenvielfalt auf unterschiedlichen Flächen steht. Diese Informationen sind allerdings erforderlich, um passende Maßnahmen für den Insektenschutz ergreifen zu können. Ein Grund für diese Daten-Lücken: Gängige Methoden zur Insekten-Erfassung schaden den Tieren häufig nicht nur, sie sind auch mit einem großen Zeit- und Arbeitsaufwand verbunden. Ein Forschungsprojekt der Landesanstalt für Bienenkunde an der Universität Hohenheim in Stuttgart sowie der Hochschulen Niederrhein und Karlsruhe und dem Start-up apic.ai könnte bald ein einfaches Vorabmonitoring ermöglichen: Das interdisziplinäre Team entwickelt derzeit eine Kamera, die Bestäuber mithilfe von KI automatisch über ihr Flugmuster erfassen und klassifizieren kann. Das langfristige Ziel: Die intelligenten Kameras sollen in Zukunft auch über mehrere Tage platziert werden können und so z. B. Informationen über die vorhandene Insektenvielfalt auf städtischen Flächen liefern.

„Von Nistmöglichkeiten bis hin zu speziellen Blühmischungen – die Maßnahmen zum Insektenschutz sind vielfältig. Urbane Räume können ein herrliches Refugium für Wildbienen sein“, sagt Dr. Kirsten Traynor, Leiterin der Landesanstalt für Bienenkunde an der Universität Hohenheim. „Aber um passende Schutzkonzepte zu entwickeln und dem Insektensterben entgegenzuwirken, brauchen wir erst einmal Informationen darüber, wo und wie häufig unterschiedliche Bestäubergruppen noch vorkommen.“

Dabei sei vor allem der Schutz bestäubender Insekten essentiell, ergänzt Leland Gehlen, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Landesanstalt für Bienenkunde der Universität Hohenheim: „Bestäuber wie Hummeln, zahlreiche andere Wildbienenarten, aber auch viele weitere Insektengruppen, wie Schmetterlinge und Schwebfliegen sind essentiell für den Erhalt der Biodiversität – aber auch für die Lebensmittelproduktion.“

„Bisher ist es jedoch sehr zeit- und arbeitsaufwendig, das Insektenvorkommen zu untersuchen, weshalb es an Zahlen und Daten mangelt“, fügt Doktorand Michael Glück hinzu. Die Überwachung einzelner Flächen – das sogenannte Monitoring – erfordere in der Regel den Einsatz mehrerer Insektenkundlerinnen und Insektenkundlern. So würden neben fachkundlichen Beobachtungen auch Fallen zu den gängigen Monitoring-Methoden zählen: „Etabliert haben sich zum Beispiel zeltartige Malaise-Fallen und sogenannte Farbschalen“, sagt der Biologe.

Künstliche Intelligenz erfasst Bestäuber automatisch
Im Projekt BeeVision feilt Dr. Traynors Team deshalb seit über einem Jahr an einer voll automatisierten und insektenschonenden Methode zur Erfassung von Bestäubern. Die Idee: „Statt eines Menschen übernimmt ein KI-System das Monitoring. Dieses erkennt anhand des Flugmusters, welche Bestäubergruppen zu sehen sind“, erklärt Michael Glück.

Hierfür nutzen die Forschenden sogenannte Event-Kameras, die die Bewegungen und Flügelschläge der Insekten aufzeichnen. „Die Kamera nimmt alle Bewegung im Kamerasichtfeld von vier Metern auf. Über diese Aufnahmen läuft anschließend unsere KI. Anhand des Flugmusters ordnet diese das Insekt einer von sechs Bestäuber-Großgruppen zu und klassifiziert es zum Beispiel als eine Hummel oder Schwebfliege.“ Eine genaue Bestimmung sei mit dem System bei vielen Arten nicht möglich. „Hierfür sind übliche Methoden wie Fallen weiterhin unerlässlich.“

BeeVision vereint Expertise aus Data Science, KI und Insektenkunde
Eine besondere Herausforderung sei das Training der KI: „Wir mussten ihr nicht nur beibringen, Bewegungen im Hintergrund auszublenden, wie zum Beispiel im Wind wehende Blätter, sondern auch, einzelne Flugbahnen und Bestäubergruppen voneinander zu unterscheiden“, sagt Leland Gehlen.

Hierfür haben die beiden Mitarbeiter der Bienenkunde zahlreiche Aufnahmen unterschiedlicher Bestäuber angefertigt – vor einem neutralen Hintergrund: „Zunächst haben wir unterschiedliche Bestäuber mit dem Kescher eingefangen. Unsere Kamera haben wir dann mit Blick auf eine Hauswand platziert, vor der wir die Insekten einzeln freigelassen haben. So konnten wir sichergehen, dass nur die Flugbahn und die Flügelschläge des Insekts aufgezeichnet werden“, erklärt Michael Glück.

Inzwischen ist das BeeVision-System sogar in der Lage, die Flugbahnen mehrerer Insekten im Bild zu identifizieren. „Möglich wird all das erst durch unsere Projektpartner: Die Hochschulen Niederrhein und Karlsruhe kümmern sich um die technische Umsetzung – z. B. die Entwicklung der Kameratechnik und das Programmieren der KI“, ergänzt Leland Gehlen.

Kamerasystem könnte langfristiges Monitoring ermöglichen
An einigen Stellen sei ihr System noch nicht ganz ausgereift, sagt Michael Glück: „Unsere BeeVision-Kamera ist z. B. noch nicht in der Lage, die Bestäuber richtig zu zählen.“ Seit dem Start des Projekts im Januar 2024 habe sich jedoch einiges getan: „Diese Kameras werden immer leichter und kompakter. Vor einem Jahr mussten wir noch sehr viel Equipment mit ins Feld nehmen, um Aufnahmen zu machen. Nun benötigen wir lediglich unsere Kamera und ein Notebook.“

Die Entomologen sind zuversichtlich, dass die Kameratechnik in Zukunft zudem erschwinglicher werden und z. B. das mehrtägige Monitoring auf städtischen Flächen ermöglichen könnte: „Viele der bisherigen Monitoring-Methoden bieten Fachleuten lediglich eine Momentaufnahme. Wenn sich die BeeVision-Kameras künftig in größeren Mengen produzieren ließen, könnte man sie über mehrere Tage hinweg von Sonnenaufgang bis -untergang auf einer Fläche aufstellen. So ließe sich zum Beispiel nachvollziehen, welchen Effekt ein Blühstreifen auf die Bestäubervielfalt hat oder ob neue Vertikalflächen im städtischen Bereich die Bestäuberpopulationen anlocken“, sagt Dr. Kirsten Traynor. „Für die Biologie und den Artenschutz wäre das auf jeden Fall ein großer Gewinn.“

HINTERGRUND: Zum Projekt „BeeVision“
Das Projekt BeeVision ist im Januar 2024 in Kooperation mit dem Unternehmen apic.ai, der Hochschule Niederrhein und der Hochschule Karlsruhe mit einer Laufzeit von zwei Jahren gestartet. Gefördert wird das interdisziplinäre Projekt durch die Carl-Zeiss-Stiftung.

Weitere Informationen: https://bienenkunde.uni-hohenheim.de/beevision

Quelle: Universität Hohenheim

Bienen nutzen den Stand der Sonne am Himmel zur Orientierung – selbst dann, wenn sie von Wolken verdeckt wird. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung Konstanzer Forschender hat nun herausgefunden, wie ein spezieller Bereich im Auge sie dabei unterstützt.

Die Suche nach Nektar kann eine Honigbiene auf ihr unbekannten Routen kilometerweit von ihrem Stock wegführen – und doch findet sie immer den Weg zurück. Der Stand der Sonne dient ihr dabei sogar dann als eine Art Kompass, wenn die direkte Sicht durch Wolken oder andere Objekte verhindert ist. Diese Fähigkeit verdanken die Bienen dem speziellen Aufbau ihrer Facettenaugen, mit denen sie Muster aus polarisiertem Licht am Himmel analysieren, die dem menschlichen Auge verborgen bleiben.

Ein Forschungsteam der Universität Konstanz und der Universität Ljubljana hat nun herausgefunden, wie das Bienenauge dies ermöglicht. Dazu untersuchten sie in ihrer aktuellen Studie, veröffentlicht in Biology Letters of the Royal Society Publishing, wie einige lichtempfindliche Zellen im Auge der Bienen miteinander verknüpft sind. Sie entdeckten in dem gen Himmel gerichteten Bereich des Bienenauges, dass ein Signal, das eine Zelle aufnahm, auch in anderen registriert wurde. Diese unerwartete Verbindung erzeugt ein weniger detailliertes, aber genaueres Bild des polarisierten Lichts am Himmel.

Eine Facette unter vielen
Im Gegensatz zum menschlichen Auge, bei dem eine einzelne Linse das Licht aus der Umgebung auf unsere Sehzellen bündelt, ist das Auge der Bienen aus tausenden kleinen Einzelaugen oder „Facetten“ zusammengesetzt, von denen jedes seine eigene Linse hat. Diese Art von Auge wird daher auch als Komplex- oder Facettenauge bezeichnet. Die Facettenaugen der Biene weisen dabei zwei unterschiedliche Areale auf. „Der Großteil der Facetten erzeugt zusammen ein scharfes Bild der Umgebung. Im oberen Bereich des Auges gibt es jedoch eine Gruppe von Facetten, die anders funktionieren und für die Erfassung des polarisierten Himmelslichts zuständig sind. Die haben wir uns genauer angesehen“, sagt Georgios Kolyfetis. Er ist Doktorand in der Arbeitsgruppe des Biologen James Foster am Fachbereich Biologie der Universität Konstanz und Co-Autor der Studie.

„Jede dieser lichtempfindlichen oberen Facetten ist weniger sensibel als die im Rest des Auges. So wird die Biene nicht geblendet, wenn sie mit diesem Teil ihres Auges permanent in den Tageshimmel schaut“, erklärt er weiter. Was zunächst sinnvoll erscheint, hat jedoch seinen Preis: Die verringerte Empfindlichkeit dieser Facetten verhindert zugleich die Wahrnehmung von kleineren Veränderungen am Himmel. „Während der Rest der Welt schärfer wiedergegeben wird, sieht der Himmel für eine Biene eher wie ein Aquarellbild aus, in dem benachbarte Pinselstriche einfach ineinander übergehen und Details verschwinden“, erklärt Studienleiter James Foster das Phänomen. „Gerade dadurch ist dieser Bereich des Auges jedoch besonders gut darin, großflächige Polarisationsmuster am Himmel wahrzunehmen.“

Gemeinsamer Einsatz für ein ganzes Bild
Um das zu verstehen, lohnt ein Blick auf die Funktionsweise des menschlichen Auges. Beim Betrachten der Umgebung fängt es einzelne Bildpunkte ein und baut daraus ein Gesamtbild zusammen. Bei schlechten Lichtverhältnissen oder nachts gelingt diese exakte Wahrnehmung nicht mehr. Das Auge gleicht das aus, indem es benachbarte Bildpunkte zusammenfasst. Zugunsten der Verstärkung des Lichtsignals gehen dabei Details verloren. Wissenschaftler*innen sprechen bei dieser Art der Verschaltung benachbarter Bereiche von „räumlicher Summation“. Wie die aktuelle Studie zeigt, arbeitet die obere Facettengruppe der Bienenaugen derartig zusammen – nur eben dauerhaft statt nachts.

Ganz gleich ist die Funktion jedoch nicht. „Bei den Augen von Säugetieren oder dem Menschen fassen Nervenzellen die Signale von mehreren Lichtrezeptoren zusammen und leiten dieses Gesamtsignal dann an das Gehirn weiter. Bei Bienen hingegen sind einige der Lichtzellen direkt miteinander verbunden“, erklärt Gregor Belušič, Neurobiologe an der Universität Ljubljana und Co-Autor der Studie. „Jede einzelne Facette reagiert also auch auf das, was ihre Nachbarn sehen.“

Nur das sehen, was wichtig ist
Doch wozu das Ganze? Das unscharfe Abbild der Umgebung über ihnen könnte dazu dienen, Unwichtiges auszublenden und sich nur auf das große Ganze zu konzentrieren. „Eine Biene registriert und analysiert das Polarisationsmuster des Lichts am Himmel und schlussfolgert daraus den Stand der Sonne. Danach richtet sie dann wiederum ihren inneren Kompass aus. Störfaktoren wie Wolken oder immer wechselnde Äste über ihnen werden dabei schlicht nicht wahrgenommen“, fasst Kolyfetis zusammen.

Die Entdeckung dieser Funktionsweise von Bienenaugen ist nicht nur biologisch interessant, sondern könnte auch der Weiterentwicklung moderner Technologien dienen. „Denkbar wäre beispielsweise eine Übertragung dieser Strategie auf die Navigation autonomer Fahrweisen. Kameras könnten als eine Art Himmelskompass dienen, wenn GPS- und Magnetsignale unzuverlässig sind oder ausfallen“, nennt Foster eine Möglichkeit. Da Bienen diese Leistung mit einer kleinen Gruppe von Facetten vollbringen, könnten „künstliche Bienenaugen” eine preiswerte Ergänzung zu autonomen Navigationssystemen sein.

Originalpublikation: George E. Kolyfetis, Gregor Belušič, James J. Foster: „Electrophysiological recordings reveal photoreceptor coupling in the dorsal rim areas of honeybee and bumblebee eyes” (2025), Biol. Lett. 21: 20250234; DOI: 10.1098/rsbl.2025.0234

Quelle: Universität Konstanz