Один муравей может запустить волну активности в целой колонии — новое моделирование

Группа биологов и инженеров из США показала, что бурные волны синхронной активности в колониях муравьёв может запускать всего одна рабочая особь. Новое математическое моделирование объяснило феномен, который учёные наблюдали на протяжении почти тридцати лет и природу которого не могли понять до сих пор. Результаты опубликованы в журнале PRX Life.

У муравьёв 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 муравьёв. 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 трёх состояний: активном, неактивном и покое. Переходы от покоя к движению происходят спонтанно или при встрече с активным соседом. Данные были взяты из ранее опубликованных работ о муравьях.

В симуляции с колонией из ста особей воспроизвели всплески движения, которые в своей пиковой фазе охватывали от двадцати пяти до семидесяти пяти процентов муравьёв и повторялись каждые сто минут. Когда число особей в модели увеличили до тысячи, пиковая активность снизилась до тридцати процентов. Анализ всех случаев показал, что почти всегда движение начинал один и тот же муравей. Большинство муравьёв присоединялось к движению после того, как сигнал от одного муравья к другому переходил пять раз. Причём к инициатору активности присоединялось больше сородичей, чем к тем, кто воспроизводил его действия. Всплеск затухал, когда неактивных муравьёв 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. В очень скученных виртуальных гнёздах 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 подчёркивают, 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 систем беспилотных такси и производство складских машин. Понимание того, как простая поведенческая реакция одной особи распространяется через всю колонию, может помочь создавать распределённые системы, где решения принимаются локально, но приводят к глобальным эффектам. Муравьи, сами того не зная, становятся моделью для инженерных решений будущего.