Сложная организация муравьиной колонии

Колонии социальных насекомых — это сложные самоорганизующиеся системы. Учёные, изучив демографическую, генетическую и морфологическую структуру муравьиных колоний, смогли показать, как эта самоорганизация работает на практике. Исследование поддержано Швейцарским национальным научным фондом (SNSF) и опубликовано в PLOS Biology.

В качестве модельных организмов использовались колонии клональных муравьёв-рейдеров (Ooceraea biroi). Этот азиатский хищный муравей интересен исследователям, потому что они могут легко контролировать возраст, генетический и морфологический состав колоний.

Исследование показало, что организация в однородной колонии меняется при введении разных особей. «Особи разного размера увеличивали разделение труда в колонии, а генетически разные особи — уменьшали», — объясняет Юко Ульрих, первый автор исследования. «Каждый источник неоднородности генерирует особый паттерн поведенческой организации в колонии».

Результаты против теорий

Результаты удивили учёных, так как противоречат некоторым современным теориям о социальных группах. «Считается, что особи действуют в соответствии со своим порогом толерантности к стимулам», — говорит Юко Ульрих.

Чтобы объяснить результаты своего исследования, учёным пришлось расширить эту теоретическую модель. Теперь она учитывает не только порог реакции на стимул, но и эффективность каждой особи в выполнении задачи и общую рабочую нагрузку колонии.

Эта модель ещё нуждается в проверке, но уже открывает возможности для лучшего понимания других сложных биологических систем, где взаимодействует множество неоднородных особей, что, в свою очередь, может помочь делать более точные прогнозы коллективных результатов.

Автоматическое отслеживание особей

Учёные провели тесты на 120 колониях муравьёв (однородных и неоднородных), выращенных в прозрачных чашках Петри. Чтобы наблюдать за поведением каждого муравья, они разработали систему автоматического отслеживания. «Впервые такая система была реализована в подобном масштабе в исследовании муравьёв. Без такого ПО отслеживание было бы невозможным», — объясняет Юко Ульрих.

Каждый эксперимент длился около месяца. Для каждой колонии было сделано около 7000 изображений. Чтобы быть идентифицированным программой, каждый муравей был помечен уникальной цветовой комбинацией.

На основе пространственного распределения каждой особи программа рассчитывала индекс разделения труда в колонии. Она не указывает, что именно делает каждая особь, но даёт подсказки об их роли. «Если муравей часто находится рядом с гнездом, можно предположить, что он ухаживает за личинками. Муравей, который много перемещается, скорее всего, отвечает за фуражировку», — объясняет учёный.