Муравьиная колония оказалась подобием нейронной сети
PNAS: коллективное поведение муравьев в колонии подобно работе нейронной сети
Фото: Shardar Tarikul Islam / Unsplash
Ученые Рокфеллеровского университета показали, что поведение муравьев в колонии подобно работе нейронной сети в мозге и других сложных системах. Выводы исследователей опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
В ходе экспериментов изучался порог сенсорной реакции в колониях муравьев Ooceraea biroi. Сенсорным порогом называется явление, при котором уровень некого внешнего раздражителя становится достаточно большим, чтобы вызывать поведенческую реакцию организма или группы организмов. У социальных насекомых пороги играют важную роль в поведенческих различиях отдельных насекомых, что приводит к формированию каст, а также в групповой реакции на изменения условий окружающей среды.
Исследователи создали «арену», в которой могли регулировать температуру поверхности с помощью термоэлектрических компонентов, куда помещали колонии муравьев из нескольких десятков особей, у которых соотношение рабочих и личинок составляло 2:1. У O. biroi нет маток, и насекомые размножаются партеногенетически, то есть бесполым путем, что позволило ученым контролировать генотипы у особей. В исходном состоянии температура емкости составляла 26 градусов Цельсия. Через 48 часов, в течение которых муравьи строили гнездо, ученые резко повышали температуру на 15 минут с интервалом два часа.
Когда температура повышалась слишком сильно (до 40 градусов Цельсия), муравьи резко изменяли свое поведение. Сначала муравьи постепенно повышали свою активность, а через некоторое время покидали место гнездования организованно, в виде колонны. Однако так как температура повышалась по всей арене, муравьи не могли найти места для нового гнезда, а их поведение становилось хаотичным. При понижении температуры насекомые успокаивались и начинали образовывать новую колонию.
Результаты исследования демонстрируют, что реакция насекомых характеризуется сенсорным порогом, зависящим от размера группы и реализующимся через социальную обратную связь между муравьями. Сначала на изменение температуры реагируют отдельные муравьи, то есть сенсорный порог превышается лишь для конкретных особей. После первого этапа длительностью примерно три минуты начинается второй длительностью 5-10 минут, когда принимается коллективное «решение», будет ли сенсорный порог превышен для всей популяции. Ключевую роль в этом играют взаимодействия между насекомыми: активные муравьи оказывают возбуждающее действие на всю колонию, а спокойные — тормозящее.
В пограничных условиях отдельные муравьи могут подавлять собственное восприятие сенсорной информации о внешней среде в пользу коллективного решения. Результирующее поведение колонии — это нечто большее, чем простое среднее из «мнений» отдельных муравьев. Тем не менее, коллективный сенсорный порог зависит от того, как сильно варьируются индивидуальные пороги. Считается, что у медоносных пчел и шмелей вариабельность индивидуальных сенсорных порогов помогает колонии успешно проветривать улья.
