Стратегия выживания пустынных муравьев возникает из миллионов простых взаимодействий

Коллективное поведение колонии муравьев помогает ей выживать в суровых условиях и может служить источником вдохновения для робототехнических систем.

Исследователи из Принстонского университета создали математическую модель, объясняющую, как пустынные муравьи-жнецы (Pogonomyrmex barbatus) коллективно взвешивают риск потери воды во время фуражировки (сбора пищи) и пользу от добычи семян. Модель — это инструмент для изучения реакции колоний на изменения среды и влияния поведенческих различий между колониями на их долгосрочное выживание и репродуктивный успех. Результаты опубликованы 4 декабря 2018 года в журнале PLOS Computational Biology.

Модель замкнутой системы

Исследователи изучали фуражировку как «замкнутую систему»: условия среды и активность муравьев снаружи влияют на их взаимодействия внутри гнезда, что, в свою очередь, влияет на дальнейший сбор пищи. Взаимодействие с вернувшимися фуражирами влияет на решение муравья внутри гнезда отправиться на поиски.

Ключевой параметр модели — волатильность (volatility), мера неявного порога взаимодействий, необходимого для побуждения муравья к фуражировке. Концепция заимствована из нейробиологии: аналогичные паттерны возбудимости позволяют нейронам выполнять сложные задачи через множество взаимодействий.

Простой механизм коммуникации

Муравьи регулируют скорость отправки фуражировок с помощью ограниченной коммуникации на основе обоняния. При контакте антеннами они «чувствуют» кутикулярные углеводороды, запах которых меняется, если муравей побывал снаружи. Также можно определить, несет ли другой муравей семя. Этой информации достаточно для регуляции поведения всей колонии.

«Муравьи не знают текущую температуру или влажность снаружи, они узнают об этом, только впервые выйдя из гнезда, — объяснил аспирант Ренато Паглиара Васкес, ведущий автор исследования. — После первого выхода они меняют свою чувствительность к взаимодействиям с возвращающимися фуражирами. Колония использует накопленную информацию от входящих муравьев, чтобы регулировать, насколько активно отправлять новых».

Сбор данных в полевых условиях

Для сбора данных Паглиара Васкес провел два лета с командой биолога Деборы Гордон из Стэнфордского университета на исследовательском участке в южной части Нью-Мексико. Ученые с помощью видео, компьютерного зрения и ручных подсчетов фиксировали активность 13 колоний в утренние часы, пока не становилось слишком жарко. К 11 утра температура поверхности почвы иногда превышала 120°F (49°C), а влажность падала до 20%, в то время как внутри гнезда сохранялась влажная среда с температурой около 80°F (27°C).

Измерения позволили рассчитать входящий и исходящий потоки фуражиров для каждой колонии, отследить их изменение в течение утра и различия в динамике между колониями.

Перспективы и значение

Исследователи продолжают изучать, что лежит в основе волатильности муравьев, анализируя поведение отдельных особей. Гордон планирует интегрировать модель фуражировки с многолетними генетическими данными по колониям, чтобы выяснить, наследуется ли поведение, способствующее сохранению воды (известно, что оно влияет на репродуктивный успех колонии).

«Эта модель объединяет взаимодействия муравьев внутри гнезда и скорость их фуражировки снаружи в одну систему, что позволяет понять процесс, на который действует эволюция, — сказала Дебора Гордон. — Теперь у нас есть способ описать это. Это очень элегантный способ осмыслить множество шумных динамических процессов и объединить их в модель для дальнейшей работы».

Как отметил Джеймс Маршалл, профессор теоретической и вычислительной биологии Университета Шеффилда (Великобритания), не участвовавший в исследовании, ученые продвинули аналогию между нейронами и социальными насекомыми на уровень описания поведения отдельного муравья как единичного нейрона и показали, как это приводит к сложному поведению на уровне колонии.