Муравьиная колония может показаться сборищем хаотично снующих насекомых, но иногда она действует как единый организм. В один момент гнездо спокойно, а в следующий — тысячи рабочих особей одновременно приходят в движение, будто по команде. Эти синхронные всплески активности учёные впервые задокументировали более тридцати лет назад, но объяснить их механизм до сих пор не удавалось. Новое исследование инженеров и биологов из Нью-Йоркского университета и Технологического института Нью-Джерси предлагает математическую модель, которая наконец проливает свет на это загадочное поведение.

Один муравей запускает цепную реакцию

Работа опубликована в журнале Physical Review X Life. Её ключевая идея: всплески активности возникают, когда колония балансирует между двумя конкурирующими силами — способностью одного активного муравья быстро «заразить» соседей и способностью всей колонии полностью вернуться в состояние покоя перед следующей волной. Авторы исследования построили вычислительную модель, опираясь на десятилетия наблюдений за реальными муравьями и устоявшиеся теории социальной активации.

В модели каждый муравей может находиться в одном из трёх состояний: активном, неактивном или рефрактерном — временном периоде отдыха, когда он не может сразу снова стать активным. Активные муравьи перемещаются по виртуальному гнезду и взаимодействуют с другими, иногда побуждая их тоже активизироваться. Результаты симуляций оказались неожиданными: для запуска общегнездового каскада не нужна одновременная координация множества особей. Достаточно одного муравья, которого исследователи назвали «первым движущим».

Как только такой муравей активируется, он стимулирует других, те — следующих, и по колонии стремительно прокатывается цепная реакция. Процесс напоминает падающие костяшки домино или распространение информации в социальной сети. «Наши результаты показывают, что всплески активности в муравьиных колониях — результат первого движущего, который возбуждает колонию в синхронизированном режиме, способствуя быстрой передаче новых форм поведения по всей группе», — пишут авторы.

Скорость важнее количества контактов

Исследование выявило ещё одну важную деталь: муравьи работают в режиме высокоскоростного взаимодействия. Информация распространяется по гнезду гораздо быстрее, чем длится сам всплеск активности. Муравьи постоянно формируют и разрывают социальные связи при движении, что позволяет сведениям эффективно путешествовать по колонии.

Старший автор работы Маурицио Порфири подчёркивает: синхронное поведение зависит не просто от числа взаимодействий, а от того, насколько быстро информация может распространяться по сети движущихся особей. «Временной масштаб перемещения особей по гнезду быстрее, чем у всплеска, — говорит он. — Это указывает на то, что муравьи действуют в режиме высокоскоростного взаимодействия, где новые формы поведения почти мгновенно передаются через гнездо».

По сути, колония проходит через фазовый переход — внезапный сдвиг от несинхронизированного движения к скоординированной коллективной активности. Этот порог определяется балансом между возбудимостью колонии и её способностью полностью «выключаться» перед следующим всплеском.

От нейронов до роботов

Хотя исследование сосредоточено на муравьях, его выводы выходят далеко за пределы мира насекомых. Соавтор работы Саймон Гарнье, профессор биологических наук из Технологического института Нью-Джерси, отмечает, что похожие каскады, запускаемые лидером, встречаются во многих сложных системах: от стада овец, внезапно сбивающихся в кучу, до нейронов, firing в скоординированных паттернах. Определив условия, способствующие синхронизации, исследователи надеются выявить общие принципы, управляющие коллективным поведением в биологии.

Практическое применение может найтись и в инженерии. Рои роботов, например, часто полагаются на локальные взаимодействия, а не на централизованное управление. Понимание того, как один агент может запустить скоординированное действие в большой популяции, поможет проектировать более эффективные системы для складской логистики, мониторинга окружающей среды или реагирования на катастрофы.

Что дальше?

Авторы предупреждают: их модель упрощает многие аспекты реальных муравьиных колоний, включая различия между рабочими особями и сложную пространственную организацию гнёзд. Будущие эксперименты проверят, действительно ли настоящие колонии работают вблизи порога синхронизации, предсказанного моделью, и можно ли, изменяя плотность или паттерны движения, влиять на возникновение всплесков активности.

Исследование поддержано грантом Национального научного фонда США. Пока же оно предлагает убедительное объяснение одного из самых загадочных поведений социальных насекомых. То, что выглядит как колония, действующая с единым разумом, на самом деле может начинаться с одного муравья, делающего первый шаг, — и тысяч других, стремительно следующих его примеру.

Кстати, мы уже писали о том, как коллективное поведение животных вдохновляет инженеров: [рой-навигация-без-gps] рассказывает о роботах, которые ориентируются подобно пчёлам и муравьям.