هماهنگی بدون رهبر؛ مدل ریاضی جدید راز حرکات دسته جمعی مورچهها را توضیح میدهد
زومیت: برخورد فیزیکی مورچه ها پس از عبور از یک نقطه بحرانی، با مکانیزمی شبیه به انتقال فاز در فیزیک، امواجی از فعالیت هماهنگ را در کلنی به راه می اندازد.
در نگاه اول، محیط درون لانه مورچه ها ممکن است مانند فضایی آشفته از اجسام کوچک به نظر برسد که هر کدام مستقل از دیگری حرکت می کنند. اما هر از چند گاهی اتفاق شگفت انگیزی رخ می دهد: بخش بزرگی از کلنی تقریباً همزمان حرکت می کند. این دوره های ناگهانی فعالیت که به آنها «انفجار فعالیت» می گویند، دوره هایی از آرامش نسبی را به دنبال دارد.
دانشمندان این انفجارهای فعالیت را با انتقال فاز در سیستم های فیزیکی مقایسه می کنند و آنها را برای دهه ها مشاهده کرده اند. اما هنوز مشخص نیست که چگونه بسیاری از مورچه ها می توانند بدون رهبر حرکات خود را تا این حد هماهنگ کنند.
به گزارش ScienceAlert، یک مدل ریاضی جدید نشان می دهد که یک کلنی مورچه می تواند پس از عبور از یک آستانه بحرانی، از فعالیت مستقل به فعالیت هماهنگ برود. در این شرایط، فعالیت یک مورچه می تواند مانند یک موج در سراسر لانه پخش شود و باعث شود مورچه های دیگر نیز حرکت کنند. این تحقیق با تمرکز بر نقش حرکت مورچه ها و تعامل بین آنها، مکانیسمی را برای تشکیل فوران های انبوه پیشنهاد می کند.
سیمون گارنیر، زیست شناس در موسسه فناوری نیوجرسی، می گوید که هماهنگی کلنی ها به مورچه خاصی بستگی ندارد و هر مورچه ای می تواند این فعالیت را آغاز کند. مایکل ناپولی، مهندس مکانیک در دانشگاه نیویورک، و مائوریزیو پورفیری، مهندس سیستم های شهری، مدل جدید را به همراه گارنیر توسعه دادند.
ناپولی میگوید: «ظهور ریتمهای فعالیت در مدل به دو مؤلفه کلیدی بستگی دارد، مستعمره باید به فعالیت یک مورچه منفرد پاسخ دهد، یعنی به سرایت اجتماعی حساس باشد، و آن فرد باید فعالیت خود را بسیار سریعتر از مقیاس زمانی گسترش دهد.» این بینش دیدگاه جدیدی را برای سایر سیستمهای پیچیده که رفتار فورانی از خود نشان میدهند اما پایدار نیستند، ارائه میکند. نبود یکی از این دو جزء، هارمونی را از بین می برد».
مستعمرات مورچه ها تعداد زیادی کارگر غیرفعال دارند، اما برخورد با هم آشیانه متحرک می تواند مورچه ساکن را نیز فعال کند. مدلهای قبلی فعالسازی اجتماعی را بیشتر به عنوان یک امکان در نظر میگرفتند. اما علاوه بر آن، مدل جدید شامل برخوردهای فیزیکی بین مورچه ها و نقش حرکت آنها در انتقال فعالیت است.
در مدل جدید مورچه ها بین سه حالت فعال، غیرفعال و بی پاسخ جابه جا می شوند. مورچه های فعال حرکت می کنند و می توانند مورچه های نزدیک را فعال کنند. مورچههای غیرفعال ثابت میمانند، اما ممکن است هنگام تعامل با یک مورچه فعال حرکت کنند. مورچه های غیر پاسخگو نیز برای مدتی خوابیده و در برابر فعال شدن مجدد مقاوم هستند. این مرحله باعث می شود که یک انفجار فعالیت بدون توقف ادامه یابد و در نهایت فروکش کند.
پارامترهای مدل بر اساس اندازه گیری های قبلی تعیین می شوند. شبیهسازیها نشان داد که اگر مورچهها خیلی آهسته حرکت کنند یا به ندرت با هم تعامل داشته باشند، فعالیت مورچه قبل از اینکه بتواند در کلنی پخش شود از بین میرود. اما با افزایش سرعت حرکت، تراکم مورچه ها یا دامنه تعامل، نقطه بحرانی ایجاد می شود که در آن برخوردها به اندازه کافی افزایش می یابد و فعالیت یک مورچه می تواند به صورت زنجیره ای در کلنی گسترش یابد.
محققان تغییرات کلنی مورچه ها را به “انتقال فاز” در سیستم های فیزیکی تشبیه می کنند. به عنوان مثال، آب با رسیدن به شرایط مناسب به یخ تبدیل می شود و خواص سیستم به طور ناگهانی تغییر می کند. با این حال، مدل مورچه نمیتواند زمان دقیق فوران را پیشبینی کند، رسیدن مستعمره به آستانه بحرانی نشان میدهد که سیستم در حالتی است که امکان فوران هماهنگ وجود دارد، نه اینکه چنین فورانی قطعاً در بازه زمانی بعدی رخ دهد.
اما چگونه می توان فعالیت مورچه را قبل از خاموش شدن در سراسر لانه گسترش داد؟ به گفته ناپولی، این یکی از مهم ترین یافته های این مدل است. تفاوت قابل توجه بین دو مقیاس زمانی، یعنی سرعت حرکت مورچه ها و سرعت چرخه های رفتاری کلنی، به شکل گیری فوران ها کمک می کند.
حرکت مورچه ها فعالیت را در مقیاس زمانی بسیار کوتاه تر از چرخه کلی فعالیت و استراحت کلنی منتقل می کند. بنابراین، هنگامی که یک مورچه فعال می شود، زمان کافی برای تعامل با سایر مورچه ها و فعال کردن آنها را دارد. در نتیجه، فعالیت می تواند مانند یک موج در شبکه ای از فعل و انفعالات فیزیکی در سرتاسر لانه، بدون نیاز به فرمانده یا هماهنگ کننده مرکزی گسترش یابد.
کشف جدید با تحقیقات قبلی در مورد رفتار جمعی مورچه ها مطابقت دارد. مطالعات گذشته نشان داده است که کلنیهای مورچهها میتوانند هنگام تصمیمگیری جمعی مانند شبکههای عصبی رفتار کنند و به عنوان یک «ابر ارگانیسم» هماهنگ در مواجهه با تهدیدات عمل کنند. تحقیقات جدید نشان می دهد که تفاوت در مقیاس زمانی حرکت و تغییر وضعیت رفتاری می تواند یکی از مکانیسم های ایجاد این هماهنگی باشد.
اما لازم به ذکر است که مطالعه جدید مبتنی بر ریاضیات و مدل سازی بوده و آزمایش مستقیمی روی مورچه های زنده انجام نداده است. اکنون محققان در حال انجام آزمایش هایی با کلنی های واقعی هستند تا پیش بینی های مدل را با داده های تجربی مقایسه کنند.
یکی از اهداف آزمایش ها بررسی فاصله مستعمرات واقعی از آستانه انتقال است. اگر مستعمرات به طور معمول در نزدیکی این آستانه عمل کنند، فوران فعالیت می تواند راهی بسیار سریع برای انتقال اطلاعات یا تغییر رفتار در سراسر لانه باشد. با این حال، هنوز مشخص نیست که چنین الگوی چه مزیت تکاملی خاصی برای مورچه ها فراهم می کند.
فعالیت فوران حتی می تواند همزمان مزایا و معایبی داشته باشد. یک مطالعه در سال 2023 نشان داد که حرکت هماهنگ مورچه ها می تواند با کاهش موانع ایجاد شده توسط کارگران غیرفعال، دسترسی به قسمت های مختلف لانه را در محیط های شلوغ تسهیل کند. از سوی دیگر، یک مطالعه در سال 2017 نشان داده است که چرخه های کوتاه مدت فعالیت ممکن است در برخی شرایط انتقال اطلاعات را مختل کند. زیرا بی تحرکی همزمان مورچه ها می تواند زنجیره تماس های فیزیکی بین کارگران را بشکند.
در نتیجه، انفجارهای فعالیت احتمالاً فقط یک پدیده ساده هماهنگ کردن حرکت مورچه ها نیست و می تواند نتیجه تعادل بین حرکت، ارتباطات، مصرف انرژی و سازماندهی فعالیت در کلنی باشد. مدل جدید چارچوبی ریاضی برای بررسی این تعادل ارائه میکند، اما پاسخ نهایی در مورد نقش فورانها در زندگی واقعی مورچهها به نتایج آزمایشهای آینده بستگی دارد.
