Муравьиные колонии пульсируют подобно сложной физической системе

Фото из открытых источников

Муравьиное гнездо может выглядеть как скопление крошечных тел, передвигающихся независимо друг от друга. Но время от времени происходит нечто удивительное: большая часть колонии почти мгновенно переходит в активную деятельность.

За этими внезапными всплесками активности, известными как пики активности, следуют периоды относительного затишья. Ученые сравнивают эти вспышки с фазовыми переходами физических систем и наблюдают их на протяжении десятилетий, но как так много муравьев синхронизируются без лидера, остается неясным.

Новая математическая модель, описанная в исследовании, опубликованном в журнале PRX Life, предполагает, что муравьиные колонии внезапно начинают синхронизироваться после достижения критической точки.

До этого момента муравьи передвигаются независимо друг от друга. Но как только колония пересекает этот участок, один муравей может вызвать волну активности во всем гнезде.

«Синхронизация не зависит от какой-либо конкретной особи; любой муравей может выступить в качестве первого двигателя», — говорит биолог из Технологического института Нью-Джерси Саймон Гарнье.

Модель была разработана совместно с Гарнье инженером-механиком из Нью-Йоркского университета Майклом Наполи и инженером по городским системам Маурицио Порфири.

«В нашей модели возникновение ритмов активности тесно зависит от двух ключевых факторов: колония должна реагировать на активность отдельной особи — быть чувствительной к социальному заражению — и эта особь должна распространять активность гораздо быстрее, чем временные рамки всплесков активности», — сказал Наполи.  «Это открытие позволяет взглянуть на другие сложные системы, где могут возникать всплески активности, но они не сохраняются, и отсутствие одного из этих двух компонентов нарушает синхронизацию».

В муравьиных колониях удивительно много неактивных рабочих особей, но встреча с движущимся сородичем может побудить одну из них начать двигаться.

Более ранние модели представляли эту социальную активность как вероятность. Новая модель также учитывает физические контакты, необходимые для распространения активности. В данной модели муравьи переключаются между тремя состояниями: активным, неактивным и невосприимчивым к стрессу.

Активные муравьи передвигаются и могут активизировать находящихся рядом сородичей. Неактивные муравьи остаются неподвижными, но могут быть побуждены к действию. Устойчивые муравьи неподвижны и временно не могут активизироваться, что предотвращает бесконечное продолжение всплесков активности.

Параметры модели были основаны на более ранних измерениях.

В ходе моделирования активность затухала, а затем распространялась, когда муравьи двигались слишком медленно или встречались друг с другом слишком редко. Но когда скорость, плотность или дальность взаимодействия превышали критический порог, встречи становились достаточно частыми, чтобы активность одного муравья распространялась по всей колонии.

Наполи сравнивает этот эффект с физическим фазовым переходом, таким как замерзание воды, но подчеркивает ключевое ограничение.

«Переход определяет, будет ли всплеск, а не то, произойдет ли всплеск в следующий период времени», — сказал он.

Таким образом, модель не может точно предсказать, когда спокойная колония перейдет в активный режим. Она определяет, находится ли колония в состоянии, способном производить синхронизированные вспышки активности. 

Как же тогда активность одного муравья может распространиться по всему гнезду, прежде чем он вымрет?

«Это, пожалуй, самый интересный результат в статье», — сказал Наполи.

Более ранние исследования показали, что муравьиные колонии могут вести себя подобно нейронным сетям при принятии коллективных решений и координировать свои действия как «суперорганизм» при реагировании на угрозы.

«Мы обнаружили, что всплески активности в модели возникают из-за существенной разницы во временном масштабе между движением муравьев, которое распространяет активность, и циклом поведенческих переходов, который определяет период всплеска», — сказал Наполи. «Такое разделение временных масштабов создает необходимые условия для сохранения всплесков активности и сравнимо со многими каскадными явлениями принятия решений в биологических системах».

Иными словами, взаимодействие способствует распространению активности гораздо быстрее, чем колония проходит свой общий цикл активности и отдыха. Это позволяет муравьям, инициированному одним особью, перемещаться от одного сородича к другому без участия командира. 

Смоделированные всплески активности в целом соответствовали наблюдениям, описанным в более ранних исследованиях. Однако новое исследование носило скорее математический, чем экспериментальный характер, и в настоящее время проводятся испытания с живыми муравьями.

«В настоящее время проводятся эксперименты и анализируются данные для проверки модели на основе реальных данных о муравьях», — сообщил Наполи. «Нас особенно интересует оценка близости колонии к пороговому значению, при котором всплески активности могут служить платформой для чрезвычайно быстрого распространения информации внутри гнезда».

Результаты могут показать, насколько близко живые колонии функционируют к этому пороговому значению и способствуют ли вспышки эффективной передаче информации. Любые эволюционные преимущества остаются неизвестными.

В исследовании 2023 года, основанном на моделировании, было высказано предположение, что синхронизированное движение может улучшить доступ внутрь переполненных гнезд за счет уменьшения препятствий, создаваемых неактивными муравьями.

Однако исследование 2017 года показало, что краткосрочные циклы активности могут препятствовать передаче информации, когда синхронизированное бездействие прерывает цепочки физического контакта между работниками.

Таким образом, всплески активности могут подразумевать компромисс между движением, общением, потреблением энергии и организацией работы.