Муравьи-разведчики нашли обходной путь для застрявших в лабиринте сородичей

Муравьи-разведчики помогают своим сородичам, которые несут добычу в гнездо, выбраться из ловушки-лабиринта и найти обходной путь. Эти насекомые исследуют пространство на некотором расстоянии от группы грузчиков, и если глубина ловушки не превышает расстояние до группы, разведчики помогают обойти препятствие. Авторы статьи, опубликованной в журнале eLife, с помощью математических моделей показали, что для успешного прохождения лабиринта достаточно радиуса разведки на порядок меньше размера арены.

Навигация в пространстве может быть основана на простых реакциях организма, как хемотаксис (движение по градиенту концентрации химических веществ), а может использовать когнитивные способности особи или даже коллективный разум целой популяции. Социальные животные могут совместно принимать решения, идти за лидером и проходить социальное обучение — все эти способности помогают членам группы в различных ситуациях.

С помощью коллективного разума некоторые животные решают навигационные задачи, с которыми не справляется отдельная особь. Так, когда муравьи совместно перемещают предметы, часть насекомых несет груз, а часть бегает вокруг. Свободный муравей может примкнуть к несущей группе, стать лидером и задавать направление движения. Возможно, такие насекомые являются разведчиками, узнают наиболее выгодный путь и направляют по нему своих сородичей.

Израильские ученые из Института Вейцмана под руководством Офера Фейнермана (Ofer Feinerman) исследовали поведение длиннорогих сумасшедших муравьев (Paratrechina longicornis) в лабиринте, похожем на естественную среду с препятствиями. На арене 70 на 50 сантиметров в случайном порядке были расставлены кубики ребром 0,8 сантиметров. С трех сторон лабиринт ограничили стенками, а с четвертой располагалось гнездо муравьев. На противоположном от гнезда краю арены клали кусочки кошачьего корма, пока насекомые не выработали маршрут от гнезда к кормушке и обратно.

Затем корм заменили силиконовым кольцом диаметром один сантиметр — до этого оно ночь лежало в мешке с кошачьей едой, муравьи принимали его за пищу и совместно переносили в дом. Насекомые могли свободно огибать препятствия и двигаться любым маршрутом, но кольцо проходило не везде — расстояние между соседними кубиками далеко не всегда превышало радиус кольца. Чтобы обогнуть все препятствия, муравьи должны были построить сложный маршрут.

Ученые ставили в лабиринт различное число кубиков и наблюдали за тем, смогут ли муравьи преодолеть его (попытка считалась успешной, если насекомые доставляли кольцо в гнездо меньше чем за восемь минут). Результат насекомых сравнивали с долей успешных решений математической модели пинбола (игра, в которой шарик катится по наклонной поверхности, сталкиваясь с препятствиями) — в ней кольцо проходит лабиринт по случайной траектории.

Чем больше кубиков стояло на арене, тем сложнее насекомым было проходить лабиринт с грузом; однако они справлялись с задачей, даже если на арене было 300 кубиков и 55 процентов площади было занято препятствиями. Это высокий показатель — согласно расчетам по теории перколяции (или теории просачивания — математической модели, с помощью которой описывают протекание жидкости через пористые материалы) порог протекания для этой среды составляет 60 процентов занятой площади; если препятствий больше, арена считается разбитой на несвязанные участки и непроходимой.

Пример маршрута, которым муравьи несли кольцо в гнездо (синий). Красный — кратчайший маршрут до гнезда с кольцом, розовый — для отдельного муравья

В простых лабиринтах и арене без кубиков муравьи решали задачу с такой же эффективностью, что и модель пинбола. Однако чем больше препятствий находилось в среде, тем больше насекомые выигрывали у модели — им удавалось успешно пройти лабиринт в большем числе случаев.

Чтобы объяснить это, исследователи наблюдали за поведением муравьев-разведчиков, которые не несли груз. Когда кольцо заходило в ловушку из кубиков, свободные насекомые рассредотачивались на 10 сантиметров вокруг кольца (это расстояние обозначили как радиус чувствительности), а если муравьи не попадали в ловушки, масштабы коллективной разведки сокращались. Авторы работы предположили, что разведчики присоединяются к несущей группе и направляют ее по обходному маршруту в пределах радиуса чувствительности.

Чтобы проверить гипотезу, модель пинбола дополнили: после попадания в ловушку кольцо двигалось не в случайном направлении, а с учетом конфигурации среды в некотором радиусе вокруг препятствия. Затем сравнивали эффективность преодоления отдельных препятствий муравьями и двумя моделями — длину пути, которое проходило кольцо, чтобы освободиться из ловушки. Учитывали сложность ловушки: ее глубину и кратчайший маршрут, которым ее можно обойти.

Муравьи преодолевали ловушки, глубина которых не превышала радиус чувствительности, эффективнее, чем базовая модель пинбола. Когда ловушка была глубже, успешность ее преодоления резко снижалась; расширенная модель пинбола вела себя схожим образом. Эффективность преодоления всего лабиринта с тем же восьмиминутным порогом в расширенной модели была близка к показателям муравьев.

Пример маршрута, которым муравьи несли кольцо в гнездо, на схематичном изображении лабиринта. Ловушки отмечены цветами (красный — самые глубокие, синий — самые простые)

Длина траектории, по которой муравьи (синий) или модели пинбола (красный — базовая модель, розовый — расширенная) выбирались из ловушки. По горизонтальной оси — глубина ловушки

Aviram Gelblum et al. / eLife, 2020

Поделиться

Успешность прохождения лабиринта в зависимости от количества препятствий. Синий — муравьи,красный — базовая модель, розовый — расширенная, черный — наличие решений лабиринта

Дальнейшие теоретические расчеты показали, что для успешного прохождения лабиринта достаточно радиуса чувствительности примерно равного десятичному логарифму размера арены: для арены длиной 70 сантиметров необходимый радиус чувствительности около двух сантиметров, а для маршрута в километр — три сантиметра.

Мы уже писали про исследование ученых из той же группы, в котором они выяснили, что в группе муравьев, несущих предмет, есть грузчики и разведчики (или координаторы) и что движение группы отличается от случайных блужданий. В этом эксперименте насекомые двигались не в лабиринте, а в открытом поле, и вместо силиконового кольца переносили в гнездо овсяное колечко.

Алиса Бахарева

https://nplus1.ru/