Ein internationales Forschungsteam hat rund 2.200 in Alkohol konservierte Ameisen durch einen Teilchenbeschleuniger geschickt – nicht etwa, um die Tierchen auf Lichtgeschwindigkeit zu bringen, sondern um sie in bisher unerreichter Detailtiefe dreidimensional zu digitalisieren.

Die Ergebnisse, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Nature Methods, umfassen hochaufgelöste 3D-Modelle von 792 Ameisenarten aus 212 Gattungen. Sämtliche Daten sind kostenlos auf der Plattform Antscan.info abrufbar.

Hinter dem Projekt stehen Forscher der University of Maryland und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Ihr Problem: Wer die Formenvielfalt von Insekten verstehen will, braucht massenhaft dreidimensionale Aufnahmen – doch herkömmliche Mikro-Computertomografen (Mikro-CT) benötigen pro Ameise etwa zwölf Stunden Scanzeit. „Wir schätzen, dass ein laborbasierter CT-Scanner für dieses Projekt sechs Jahre Dauerbetrieb gebraucht hätte“, sagt Co-Autor Julian Katzke.

Ein Synchrotron und 25 Ameisen pro Stunde

Die Lösung fand das Team in der sogenannten KIT Light Source, einem Synchrotron – also einem ringförmigen Teilchenbeschleuniger, der extrem intensive Röntgenstrahlen erzeugt. Diese Strahlung ermöglicht nicht nur eine deutlich höhere Auflösung als konventionelle Röntgenröhren, sondern macht auch Weichgewebe wie Muskeln, Nervensysteme und Verdauungsorgane sichtbar, ohne dass die Proben zuvor chemisch eingefärbt werden müssen.

Die Ameisen befanden sich jeweils einzeln in kleinen, mit Alkohol gefüllten Kunststoffröhrchen. Ein Roboterarm drehte die Proben während der Aufnahme und tauschte sie automatisch aus. So schaffte das Team rund 25 Scans pro Stunde – eine Ameise war in wenigen Minuten digitalisiert. Die gesamte Datenerfassung dauerte nur wenige Tage.

Die Auflösung reicht bis in den Mikrometerbereich: Auf den fertigen 3D-Modellen lassen sich einzelne Muskelfasern, Gehirnstrukturen, Stachelapparate und sogar eine mineralische Panzerung erkennen, die bisher nur bei einer einzigen Ameisenart bekannt war. Die Datenanalyse zeigte, dass dieser Biopanzer tatsächlich bei zahlreichen pilzzüchtenden Ameisen vorkommt – eine Erkenntnis, die sich direkt aus dem systematischen Screening der Datenbank ergab, ohne dass neue Proben gesammelt werden mussten.

Von der Forschung bis nach Hollywood

„Der Wert dieser Studie betrifft nicht nur Ameisen, er ist viel breiter“, sagt Evan Economo, der an der University of Maryland ein Biodiversitätslabor leitet. Wenn Proben einmal digitalisiert seien, ließen sich Bibliotheken von Organismen aufbauen, die von wissenschaftlichen Laboren über Klassenzimmer bis hin zu Hollywood-Studios genutzt werden könnten. Denkbar sei auch, mit den detaillierten Scans maschinelle Lernsysteme zu trainieren, die Ameisenarten bei der Feldarbeit automatisch erkennen.

Co-Autor Thomas van de Kamp vom KIT betont die Eignung der Ameisen als Modellgruppe: Mehr als 14.000 Arten seien bereits beschrieben, doch vermutlich existierten noch Tausende weitere. „Ihre Vielfalt lässt sich mit 3D-Bildgebung und optimierter Datenverarbeitung erschließen“, so van de Kamp.

200 Terabyte Daten

Die in Alkohol konservierten Ameisen lagen oft in unnatürlichen Haltungen vor – verkrümmte Beine, verdrehte Fühler. Ein KI-System passte die Posen der digitalen Modelle nachträglich an, sodass sie eher dem lebenden Tier entsprechen. Neuronale Netze halfen außerdem dabei, die Ameisenkörper automatisch vom Hintergrund zu trennen und dreidimensionale Oberflächenmodelle zu erzeugen. Dadurch schrumpfte die Datenmenge der Online-Datenbank um rund 70 Prozent – was angesichts von insgesamt mehr als 200 Terabyte Rohdaten durchaus relevant ist.

Die Proben stammen aus Museen und Sammlungen weltweit. Das Spektrum reicht von winzigen Arten, die unter der höchsten Vergrößerungsstufe mit einer Auflösung von 1,22 Mikrometern gescannt wurden, bis zu großen Exemplaren, die in mehreren Höhenschritten aufgenommen werden mussten. Insgesamt entstanden mehr als 4.000 Einzelscans. Sechs besonders große Ameisen passten nicht einmal in das Sichtfeld des Synchrotrons und wurden stattdessen mit einem konventionellen Labor-CT aufgenommen.

Ameisen-Genome treffen auf Ameisen-Anatomie

Das Projekt ist bewusst mit genomischen Forschungsinitiativen wie der Global Ant Genomics Alliance verzahnt: Für 186 der gescannten Arten liegen bereits Genomdaten vor, bei 157 Individuen stammen die sequenzierten und die gescannten Tiere sogar aus demselben Nest. Diese Verknüpfung von genetischer und morphologischer Information soll es künftig ermöglichen, die genomischen Grundlagen körperlicher Merkmale systematisch zu untersuchen.

Sämtliche Daten stehen unter einer offenen Lizenz (CC BY 4.0) auf zwei Plattformen zur Verfügung: der interaktiven Biomedisa-Datenbank und dem Langzeitarchiv RADAR4KIT. Jedes gescannte Exemplar hat einen eigenen digitalen Identifikator (DOI) erhalten, der es dauerhaft mit seinen Metadaten verknüpft – darunter taxonomische Einordnung, Fundort, Lebensraum und Informationen zu den Sammlungen, aus denen die Tiere stammen.

Ein Modell für die gesamte Insektenwelt

Die Forscher verstehen Antscan ausdrücklich als Pilotprojekt: Der Arbeitsablauf – vom Sammeln über das automatisierte Scannen bis zur KI-gestützten Nachbearbeitung – lasse sich auf andere Gruppen kleiner Organismen übertragen. Eine Einschränkung räumen sie allerdings ein: Messzeit an Synchrotron-Anlagen ist knapp und wird über begutachtete Anträge vergeben. Zudem begrenzt das beleuchtbare Sichtfeld die Größe der Proben, die sich mit dieser Methode untersuchen lassen.

Trotzdem zeigt das Projekt, wohin die Reise gehen könnte: eine Welt, in der die dreidimensionale Anatomie von Millionen von Insektenarten digital verfügbar ist – durchsuchbar, messbar und für jeden zugänglich, der einen Internetanschluss hat. Oder, wie es die Autoren formulieren: Es sei an der Zeit, dassax die Erforschung von Körperformen ihren Platz neben anderen Big-Data-Projekten der Biologie einnehme. Die Ameisen haben damit jedenfalls schon mal angefangen.

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