Учёные выяснили почему муравьиные колонии внезапно начинают двигаться синхронно

Муравьиная колония со стороны может выглядеть как хаотичное скопление насекомых, каждое из которых самостоятельно перемещается по гнезду. Однако время от времени происходит необычное явление: значительная часть колонии практически одновременно приходит в движение.

Такие внезапные всплески активности сменяются периодами относительного спокойствия. Учёные наблюдают подобное поведение муравьиных колоний уже несколько десятилетий и сравнивают эти всплески с фазовыми переходами в физических системах. При этом до сих пор оставалось неясным, каким образом тысячи муравьёв способны синхронизировать своё поведение без какого-либо лидера.

Новая математическая модель, описанная в исследовании, опубликованном в журнале PRX Life, предполагает, что муравьиная колония внезапно переходит в синхронизированное состояние после достижения определённой критической точки.

До её достижения муравьи в основном двигаются независимо друг от друга. Но после пересечения этого порога движение одного муравья может запустить волну активности, которая распространится по всему гнезду.

При этом для запуска такой волны не требуется какой-либо конкретный муравей. Начать цепную реакцию может практически любая особь.

«Синхронизация не зависит от какой-либо конкретной особи — любая муравьиная особь может стать первой, которая начнёт движение», — отметил биолог Нью-Джерсийского технологического института Саймон Гарнье в статье, опубликованной Американским физическим обществом.

Модель разработали инженер-механик Нью-Йоркского университета Майкл Наполи и инженер городских систем Маурицио Порфири совместно с Саймоном Гарнье.

По словам исследователей, появление ритмических всплесков активности в модели зависит от двух ключевых условий. Во-первых, колония должна реагировать на активность отдельной особи, то есть муравьи должны быть чувствительны к социальному заражению поведением. Во-вторых, эта активность должна распространяться значительно быстрее, чем длится общий цикл всплеска активности.

Именно сочетание этих условий позволяет отдельному движению быстро передаваться от одного муравья к другому и охватывать значительную часть колонии. Если хотя бы одно из условий отсутствует, синхронизация разрушается.

В муравьиных колониях может находиться удивительно большое количество неактивных рабочих особей. Однако встреча с движущимся соседом способна заставить неподвижного муравья начать двигаться.

В предыдущих математических моделях такое социальное активирование обычно описывалось с помощью вероятности. Новая модель учитывает не только вероятность реакции, но и реальные физические контакты между муравьями, необходимые для распространения активности.

В модели каждая особь может находиться в одном из трёх состояний: активном, неактивном или рефрактерном.

Активные муравьи перемещаются и способны активировать находящихся рядом соседей. Неактивные муравьи остаются неподвижными, но могут начать движение после контакта с активной особью. Рефрактерные муравьи также остаются неподвижными, однако временно не способны снова активироваться. Последнее состояние необходимо для того, чтобы всплеск активности не продолжался бесконечно.

Параметры математической модели были основаны на результатах предыдущих измерений поведения муравьёв.

Компьютерные симуляции показали, что активность затухала, не успев распространиться по колонии, если муравьи двигались слишком медленно или слишком редко встречались друг с другом.

Однако при достижении критического уровня скорости движения, плотности колонии или дальности взаимодействия контакты между муравьями становились достаточно частыми. В результате активность одной особи могла вызвать каскадную реакцию, которая распространялась по всей колонии.

Майкл Наполи сравнивает это поведение с фазовым переходом в физических системах, например с замерзанием воды. Однако исследователь подчёркивает важное ограничение модели.

Переход через критическую точку показывает, способна ли колония создавать синхронизированный всплеск активности, но не позволяет определить точный момент, когда такой всплеск произойдёт.

Таким образом, модель не может предсказать, когда именно спокойная колония внезапно начнёт активно двигаться. Она определяет, находится ли колония в состоянии, при котором синхронизированные всплески вообще способны возникать.

Исследователи считают именно механизм распространения активности одним из наиболее интересных результатов работы. Возникает вопрос, каким образом движение одного муравья успевает распространиться по всему гнезду, прежде чем первоначальный импульс исчезнет.

Предыдущие исследования показывали, что муравьиные колонии во время принятия коллективных решений могут вести себя подобно нейронным сетям. При реагировании на угрозы они также способны координировать действия как единый «суперорганизм».

Новая модель показывает, что всплески активности могут возникать благодаря огромной разнице между двумя временными масштабами. Движение муравьёв распространяет активность по колонии значительно быстрее, чем проходит общий цикл переходов между различными состояниями поведения.

Именно такое разделение временных масштабов создаёт условия, при которых всплеск может сохраняться достаточно долго, чтобы пройти через значительную часть колонии. Исследователи отмечают, что похожий принцип встречается в других каскадных процессах принятия решений в биологических системах.

Проще говоря, взаимодействия между муравьями распространяют активность намного быстрее, чем колония проходит через свой более продолжительный цикл активности и покоя. Благодаря этому движение, начатое одной особью, может передаваться от одного муравья к другому без необходимости существования руководителя или централизованной команды.

Полученные в симуляциях всплески активности в целом соответствовали результатам наблюдений, описанных в предыдущих исследованиях. Однако новая работа пока является математической, а не экспериментальной. Сейчас исследователи проводят эксперименты с живыми муравьями, чтобы проверить, насколько хорошо модель описывает поведение настоящих колоний.

«В настоящее время проводятся и анализируются эксперименты, которые должны позволить проверить модель на реальных данных о муравьях», — сообщил Майкл Наполи.

Исследователи особенно хотят определить, насколько близко реальные муравьиные колонии находятся к критическому порогу, при котором возникают синхронизированные всплески активности. По их мнению, такие всплески потенциально могут обеспечивать очень быстрое распространение информации по всему гнезду.

Будущие эксперименты должны показать, насколько близко живые колонии действительно работают к этому критическому порогу и помогают ли всплески активности эффективно передавать информацию между членами колонии. При этом возможное эволюционное преимущество такого поведения пока остаётся неизвестным.

В предыдущем исследовании, основанном на математическом моделировании и опубликованном в 2023 году, предполагалось, что синхронизированное движение может улучшать доступ к различным участкам переполненного гнезда, поскольку уменьшает количество препятствий, создаваемых неподвижными муравьями.

Однако исследование 2017 года показало, что кратковременные циклы активности могут, наоборот, мешать передаче информации. Синхронная неподвижность большого количества рабочих муравьёв способна прерывать цепочки физических контактов между особями.

Таким образом, всплески активности могут отражать сложный компромисс между перемещением муравьёв, передачей информации, расходом энергии и организацией коллективной работы.

Исследование опубликовано в журнале PRX Life.