Это обычное зрелище — муравьи, марширующие 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 доцента математики 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, который также является преподавателем в Институте молекулярной биофизики FSU, и аспирант факультета управления музыкальным искусством Шон Хартман опубликовали статью « Прогулка по этому пути: моделирование динамики муравьев-фуражировщиков в средах с несколькими источниками пищи » в журнале Journal of Mathematical Biology в сентябре.
«Сила математики в том, что мы можем разрабатывать модели, которые воспроизводят экспериментально наблюдаемые данные и делать конкретные прогнозы о том, что произойдет дальше. В этом случае мы обнаружили то, что не было хорошо описано другими моделями: если у муравья есть доступ к нескольким источникам пищи из его гнезда, он изначально проложит несколько троп к каждому из источников», — сказал Карамчед.
Карамчед использует моделирование, математический анализ и компьютерное моделирование для понимания и решения проблем в области нейронауки и клеточной биологии. Хартман, получивший двойную степень бакалавра на кафедре математики и в музыкальном колледже FSU в мае 2023 года и рассчитывающий завершить аспирантуру этой весной, обратился к Карамчеду с просьбой помочь с направленным индивидуальным исследованием (DIS). DIS позволяет студентам программы Honors Program FSU работать один на один с преподавателями-наставниками в рамках открытого практического исследовательского опыта и позволит Хартману больше заниматься математическим моделированием.
«Я хотел продолжить исследования в области математики, поскольку всю жизнь интересовался этим предметом, но до сих пор у меня не было возможности принять участие в исследованиях, основанных на математике. Меня заинтриговало исследование муравьиных троп, которым со мной поделился доктор Карамчед, и мне стало интересно продолжить его и создать модели на основе этой предыдущей работы», — сказал Хартман.
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. 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», — сказал Карамчед.
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 к гнезду находился источник пищи. 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 стал точным, множественные следовые образования стали отчетливыми и легко понимаемыми. Было так здорово видеть, как равноудалённые источники пищи могут поддерживать несколько пищевых троп в равновесии. Если один источник пищи был чуть ближе к гнезду муравьёв, муравьи в конечном итоге формировали одну единственную тропу к ближайшему источнику. Именно в этот момент мы почувствовали, что вся наша тяжёлая работа наконец окупилась», — сказал Хартман.
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.
«Основой для анализа этого коллективного поведения является фундаментальный градиент концентрации феромонов, и от него можно отталкиваться. От микробного уровня до сложных организмов использование этой химической сигнализации для общения позволяет определенным организмам координировать деятельность в огромных пространственных масштабах, что является захватывающим», — сказал Карамчед.
Источник: phys.org