Это обычное зрелище — муравьи, идущие стройной линией через препятствия и вокруг них от своего гнезда к источнику пищи, ведомые запаховыми следами, оставленными разведчиками, отмечающими находку. Но что происходит, когда эти разведчики находят съедобную материнскую жилу?
Группа исследователей из Университета штата Флорида под руководством Бхаргава Карамчеда обнаружила, что в процессе поиска пищи муравей-фуражир оставляет феромонные следы, соединяющие его колонию с несколькими источниками пищи, если таковые имеются, успешно создав первую модель, объясняющую феномен образования следов к нескольким источникам пищи. Карамчед в сотрудничестве с Шоном Хартманом опубликовали статью в журнале Journal of Mathematical Biology.
«Сила математики в том, что мы можем разрабатывать модели, которые воспроизводят экспериментально наблюдаемые данные и делать конкретные прогнозы о том, что произойдет дальше», — сказал Карамчед. «В этом случае мы обнаружили то, что не было хорошо описано другими моделями: если муравей имеет доступ к нескольким источникам пищи из своего гнезда, он изначально проложит несколько троп к каждому из источников».
«Я хотел продолжить исследования в области математики, так как я всю жизнь интересовался этим предметом, но до сих пор у меня не было возможности принять участие в исследованиях, основанных на математике», — сказал Хартман. «Меня заинтриговало исследование муравьиных троп, которым доктор Карамчед поделился со мной, и мне стало интересно продолжить его изучение и создать модели на основе этой предыдущей работы».
Добыча ресурсов — важный процесс для повседневной жизни колонии муравьев, и муравьи самоорганизуются, используя химические феромоны. Как только муравей обнаруживает источник пищи, он выделяет химический след, который приводит других муравьев к источнику. Используя вычислительное моделирование муравьев, ищущих пищу, стохастическое моделирование и систему уравнений с частными производными, исследователи также заметили, что со временем муравьи будут выборочно перемещаться к источнику пищи, который находится на кратчайшем расстоянии от их гнезда в среде с несколькими источниками.
«Для этого исследования мы разделили муравьев на две субпопуляции: фуражиры и возвращающиеся», — сказал Карамчед. «Эти субпопуляции ведут себя по-разному, поскольку фуражиры, как правило, бродят в поисках пищи, тогда как возвращающиеся всегда возвращаются прямо в гнездо после нахождения пищи, что делает их движение менее стохастическим или случайным. Это позволяет нам со 100-процентной уверенностью предсказывать, что они делают или куда они пойдут».
Команда, включая соавтора Шона Райана, доцента кафедры математики и статистики в Университете штата Кливленд, рассмотрела концентрацию химических феромонов, которые выделяли муравьи, сигнализируя другим муравьям о том, где находится еда. Вероятность их моделей основывалась на динамике этих феромонов. Возвращающиеся муравьи выделяли меньше феромонов в зависимости от того, насколько близко источник пищи находился к гнезду. Большее количество феромонов создавало более сильный запах, по которому муравьи могли следовать, что является критическим фактором, когда источник пищи находится далеко от гнезда.
«После того, как мой код был полностью протестирован и точен, множественные образования следов стали различимыми и легко понятными», — сказал Хартман. «Было так здорово видеть, как равноудаленные источники пищи могут поддерживать множественные пищевые следы в равновесии. Если один источник пищи был немного ближе к гнезду муравьев, муравьи в конечном итоге формировали один единственный след к ближайшему источнику. Именно в этот момент мы почувствовали, что вся наша тяжелая работа наконец окупилась».
Модель, представленная в данной статье, была разработана таким образом, чтобы быть простой и применимой к другим организмам и биологическим системам, использующим феромоны как форму коммуникации, включая бактерии, слизевики, других насекомых, рыб и даже некоторых рептилий и млекопитающих.
«Основа для анализа этого коллективного поведения лежит в фундаментальном градиенте концентрации феромонов, а затем работа ведется оттуда», — сказал Карамчед. «От микробного уровня до сложных организмов использование этой химической сигнализации для общения позволяет определенным организмам координировать деятельность в огромных пространственных масштабах, что увлекательно».
