Один муравей запускает волну активности по всей колонии — математики нашли механизм

Муравейник снаружи выглядит как беспорядочный клубок крошечных тел. Но время от времени в нём происходит нечто удивительное: большая часть колонии почти одновременно приходит в движение. Эти вспышки активности, сменяющиеся периодами относительного покоя, учёные наблюдают десятилетиями. Вопрос о том, как тысячи муравьёв синхронизируются без единого лидера, оставался без ответа. Новая математическая модель даёт первое убедительное объяснение. Исследование опубликовано в журнале *PRX Life*. Ранее pronedra.ru рассказывала о поведении насекомых и опылителей.

Фазовый переход в живой системе

Физики и биологи из Нью-Йоркского университета и Технологического института Нью-Джерси разработали математическую модель, в которой муравьи переключаются между тремя состояниями:

• активное: муравей движется и может «заразить» активностью соседей;
• неактивное: муравей стоит, но может быть «разбужен» активным сородичем;
• рефрактерное: муравей временно неспособен реактивироваться — это ограничение предотвращает бесконечное продолжение вспышки.

В симуляциях активность затухала, когда муравьи двигались слишком медленно или встречались слишком редко. Но как только скорость движения, плотность особей или радиус взаимодействия пересекали критический порог — одиночный муравей мог запустить каскад активности через всю колонию.

«Синхронизация не зависит от конкретной особи — любой муравей может стать первым движителем», — говорит биолог из NJIT Саймон Гарнье.

Разделение временных масштабов

Ключевое открытие модели — в том, почему активность успевает распространиться по всей колонии, прежде чем угаснуть. Дело в разрыве между двумя временными масштабами: движение и физические контакты между муравьями происходят значительно быстрее, чем колония проходит полный цикл от активности к покою и обратно. Этот разрыв создаёт «окно», в котором одна вспышка успевает пробежать от муравья к муравью по всему гнезду.

«Мы обнаружили, что вспышки возникают из-за резкого различия в временных масштабах между движением муравьёв, которое распространяет активность, и циклом поведенческих переходов, который определяет период вспышки», — объясняет инженер-механик NYU Майкл Наполи.

Эта логика схожа с каскадами принятия решений в других биологических системах — от нейронных сетей до иммунного ответа.

Что впереди

Модель пока математическая: эксперименты с живыми муравьями для её проверки уже идут. Исследователи намерены выяснить, насколько близко реальные колонии находятся к критическому порогу, и может ли сама вспышка служить каналом для сверхбыстрого распространения информации внутри гнезда.

Более ранние работы показывали, что муравьиные колонии ведут себя подобно нейронным сетям при принятии коллективных решений. Новая модель добавляет к этому ещё один слой — физический принцип фазового перехода.