Муравейник со стороны может казаться хаотичной массой отдельных насекомых: кто-то движется, кто-то стоит на месте, и никакого общего ритма не видно.
Но время от времени происходит нечто совсем другое. Значительная часть колонии почти одновременно приходит в движение. Начинается резкий всплеск активности, который затем сменяется периодом относительного покоя.
Такие волны учёные наблюдают уже десятилетиями. Особенно интересно то, что у муравьёв нет единого руководителя, который мог бы дать всей колонии команду начать двигаться. Тем не менее тысячи отдельных особей каким-то образом способны синхронизироваться.
Новая математическая модель предлагает возможное объяснение. Согласно ей, дело может быть в критическом пороге, после которого поведение всей системы резко меняется.
Пока колония находится ниже этого порога, муравьи в основном действуют независимо. Но если определённые условия переходят критическую границу, активности всего одного муравья может оказаться достаточно, чтобы запустить цепную реакцию по всему гнезду.
Причём никакого особенного «главного» муравья для этого не требуется. Первым может оказаться практически любой.
Модель разработали Майкл Наполи из Нью-Йоркского университета, Маурицио Порфири и биолог Саймон Гарнье из Технологического института Нью-Джерси.
Исследователи считают, что для появления общего ритма необходимы два условия. Во-первых, муравьи должны достаточно легко реагировать на движение других особей. Во-вторых, эта активность должна распространяться между ними намного быстрее, чем проходит полный цикл между всплеском движения и последующим периодом покоя.
Известно, что в муравьиных колониях значительная часть рабочих особей в определённый момент может оставаться неподвижной. Однако встреча с активно движущимся соседом способна заставить такого муравья тоже начать двигаться.
Ранее подобное «заражение» активностью в математических моделях обычно описывали просто как вероятность. Новая работа дополнительно учитывает реальные физические встречи между насекомыми, без которых движение не сможет передаваться дальше.
В модели каждый муравей находится в одном из трёх состояний.
Активный муравей движется и способен побудить к движению соседей. Неактивный остаётся неподвижным, но может включиться после контакта с другим. Наконец, есть временное состояние, в котором недавно остановившийся муравей некоторое время не способен снова активироваться.
Последнее ограничение особенно важно: без него всплеск мог бы продолжаться бесконечно.
В компьютерных расчётах оказалось, что при слишком медленном движении муравьёв или редких встречах активность быстро затухает. Один муравей начинает двигаться, но не успевает передать импульс достаточному количеству соседей.
Картина резко меняется, если скорость движения, плотность насекомых или расстояние, на котором они взаимодействуют, превышают определённый критический уровень.
Встреч становится достаточно много, чтобы движение одного муравья начало передаваться дальше — от соседа к соседу. Возникает каскад, охватывающий значительную часть колонии.
Исследователи сравнивают это с фазовым переходом в физике — например, с превращением воды в лёд. При достижении определённых условий система внезапно начинает вести себя совершенно иначе.
Но здесь есть важное ограничение.
Модель не способна сказать, в какую именно секунду спокойный муравейник внезапно оживёт. Она лишь показывает, находится ли колония в таком состоянии, при котором массовый всплеск активности вообще способен возникнуть.
Особенно интересным оказался механизм, позволяющий волне движения пройти через гнездо раньше, чем она погаснет.
Распространение активности между соседними муравьями происходит намного быстрее, чем общий цикл переходов между движением, остановкой и временной невосприимчивостью к новой активации.
Именно эта разница во времени позволяет импульсу от одной особи быстро пройти через множество других.
Получается своеобразная цепная реакция без центрального управления: один муравей начинает двигаться, сталкивается с другим, тот активируется и передаёт движение дальше.
Результаты моделирования в целом совпали с характером всплесков, которые наблюдали в предыдущих исследованиях. Однако нынешняя работа пока остаётся прежде всего математической.
Теперь учёные проводят эксперименты с живыми муравьями, чтобы проверить, насколько хорошо модель описывает настоящие колонии. Особенно их интересует, насколько близко реальные муравейники находятся к тому самому критическому порогу.
Если колония действительно существует рядом с такой границей, всплески активности потенциально могут позволять информации чрезвычайно быстро распространяться по всему гнезду.
Но даёт ли подобная синхронизация муравьям реальное преимущество, пока неизвестно.
Предыдущее моделирование показывало, что согласованное движение может облегчать перемещение по тесному гнезду, поскольку неподвижные муравьи перестают создавать препятствия. Однако другое исследование пришло к противоположному результату: периоды одновременного покоя могут мешать передаче информации, разрывая цепочки физических контактов между рабочими особями.
Поэтому всплески активности, вероятно, связаны не с одной-единственной задачей. Они могут быть компромиссом между передвижением, передачей информации, расходом энергии и организацией работы всей колонии.
Исследование опубликовано в журнале PRX Life.
