Математики выяснили, что один муравей может привести в движение всю колонию
Группа биологов и инженеров из США показала, что бурные волны синхронной активности в колониях муравьев может запускать всего одна рабочая особь. Новое математическое моделирование объяснило феномен, который ученые наблюдали на протяжении почти тридцати лет, и природу которого они не могли понять до сих пор. Результаты опубликованы в журнале PRX Life.
Как проводили исследование
У муравьев вида Leptothorax acervorum, а также некоторых видов рода Temnothorax исследователи не раз замечали странные всплески активности: значительная часть колонии одновременно приходит в хаотичное движение, а затем так же внезапно замирает. Ранее считалось, что цепная реакция начинается с действий нескольких муравьев. Однако новая модель показывает, что для этого достаточно и одного насекомого.
Михаэль Наполи и Маурицио Порфири из Нью-Йоркского университета вместе с Саймоном Гарнье из Технологического института Нью-Джерси построили симуляцию, где каждый муравей находится в одном из трех состояний: в активном (движется), в неактивном (неподвижен, но готов начать движение) и в покое (неподвижен и не может двигаться определенное время). Переходы от покоя к движению происходят спонтанно или при встрече с активным соседом. Данные были взяты из ранее опубликованных работ о Temnothorax albipennis и Temnothorax rudis.
Что влияло на распространение сигнала
В симуляции с колонией из 100 особей воспроизвели всплески движения, которые в своей пиковой фазе охватывали 25 до 75% муравьев, и повторялись каждые 100 минут. Далее число особей в модели увеличили до 1000. В этом эксперименте пиковая активность снизилась, удерживаясь на уровне в 30%. Анализ всех 250 случаев показал, что почти всегда движение начинал один и тот же муравей. Большинство муравьев присоединялось к движению после того, как сигнал от одного муравья к другому переходил 5 раз. Причем к инициатору активности присоединялось больше сородичей, чем к тем, кто воспроизводил его действия. Всплеск затухал, когда неактивных муравьев почти не оставалось.
Ключевыми факторами распространения сигнала оказались скорость движения и плотность контактов с сородичами. Быстрые муравьи успевают встретить больше соседей до того, как перестанут двигаться, а в очень скученных виртуальных гнездах всплески возникали даже при почти полном отсутствии движения. Важную роль играет и механизм торможения. Активные муравьи способны передавать движение сородичам, но одновременно могут и заставлять соседей остановиться.
Авторы подчеркивают, что в основе их выводов лежат данные компьютерной симуляции. Это не означает, что в реальном муравейнике каждую спонтанную волну движения начинает один и тот же муравей. Тем не менее исследование открывает путь для проверки новых гипотез, которые могут внести существенный вклад в развитие робототехники, разработку новых систем беспилотных такси и производство складских машин.
