Муравьи-архитекторы: как насекомые обеспечивают устойчивость движения на склонах

Международная команда учёных под руководством биолога профессора Иэна Кузина (Университет Констанца, Институт поведения животных Общества Макса Планка) и постдока Мэттью Лутца обнаружила новый тип коллективного поведения у муравьёв. Исследование, опубликованное в PNAS, показывает, как муравьи вида Eciton burchellii используют самоорганизующиеся архитектурные структуры — «строительные леса» (scaffolds) — для обеспечения транспортного потока на наклонных поверхностях. Формирование лесов происходит благодаря индивидуальному восприятию и принятию решений, но позволяет всей колонии динамически адаптироваться к непредсказуемым условиям среды.

Хищники и архитекторы

Учёные изучали колонии кочевых муравьёв Eciton burchellii в тропическом лесу на острове Барро-Колорадо (Панама). Эти социальные насекомые живут огромными колониями и проводят массовые рейды для охоты. Одной из их ключевых адаптаций является способность формировать живую архитектуру.

Строительные леса образуются, когда тропы муравьёв пересекают наклонные поверхности (ветви, камни). Отдельные муравьи останавливаются и цепляются за поверхность, замирая на месте. Так они создают дополнительное сцепление для сородичей, которые продолжают движение, проходя по неподвижным особям.

Леса демонстрируют высокую адаптивность: от нескольких рассредоточенных муравьёв, напоминающих скалодром, до плотных скоплений, формирующих выступающую «полку». Структуры быстро образуются в ответ на нарушение потока, предотвращая соскальзывание и падение, что критически важно для транспортировки добычи в условиях плотного трафика и сложного рельефа тропического леса.

Координация без коммуникации

Для экспериментального изучения поведения учёные создали установку, позволяющую вводить заданные уклоны на тропах диких колоний в полевых условиях. Эксперименты показали, что муравьи достоверно формируют леса при пересечении поверхностей с углом наклона более 40 градусов.

Чем круче был склон, тем больше муравьёв изначально соскальзывало, и тем крупнее в ответ становились леса. Через несколько минут после начала пересечения склона и формирования лесов количество падающих муравьёв возвращалось к низкому уровню благодаря поддерживающей структуре.

Учёные предложили простой механизм формирования лесов, подтверждённый полевыми наблюдениями и теоретическим моделированием:

• Когда муравей соскальзывает на склоне, а затем восстанавливает сцепление, у него есть определённая вероятностная тенденция вцепиться в поверхность и остаться на месте.
• Так он либо начинает, либо присоединяется к лесам.
• Чем больше особей демонстрируют такое поведение, тем менее скользкой становится поверхность по мере роста структуры.
• Рост останавливается, когда следующие муравьи могут беспрепятственно использовать существующие леса.

Иэн Кузин: «Нас удивило, насколько прост механизм. Наблюдая такие коллективные явления, интуитивно кажется, что должна быть коммуникация. Однако в данном случае в ней нет необходимости. Каждая особь корректирует своё поведение, основываясь на личном опыте при пересечении».

Уроки для технологий

Простой механизм пропорционального контроля системы, обнаруженный у муравьёв, может вдохновить на проектирование искусственных систем. Он требует информации только о состоянии отдельных элементов, а не сложной коммуникации на уровне группы.

Мэттью Лутц: «Благодаря простоте с точки зрения восприятия и коммуникации, механизм может быть полезен для приложений в самых разных масштабах и дисциплинах: от роевой робототехники до проектирования самовосстанавливающихся материалов, методов биофабрикации и новых моделей адаптивной инфраструктуры».