Coloniile de furnici pulsează precum un sistem fizic, iar oamenii de ştiinţă încep să înţeleagă ce le declanşează

Un cuib de furnici poate părea un haos format din corpuri mici care se deplasează independent. Dar, din când în când, se întâmplă ceva remarcabil: o mare parte a coloniei intră în acţiune aproape simultan.

Aceste izbucniri bruşte de activitate, cunoscute drept „rafale de activitate”, sunt urmate de perioade de relativă linişte, potrivit publicaţiei ScienceAlert.

Oamenii de ştiinţă compară aceste izbucniri cu tranziţiile de fază ale sistemelor fizice şi le-au observat de zeci de ani, însă modul în care atât de multe furnici ajung să se sincronizeze fără un lider rămâne neclar.

Un nou model matematic, prezentat într-un studiu publicat în PRX Life, sugerează că coloniile de furnici devin brusc sincronizate după ce ating un punct critic.

Înainte de acest punct, furnicile se deplasează independent. Dar, odată ce colonia îl depăşeşte, o singură furnică poate declanşa un val de activitate care se propagă în întregul cuib.

„Sincronizarea nu depinde de un anumit individ; orice furnică poate fi cea care face prima mişcare”, spune biologul Simon Garnier de la New Jersey Institute of Technology, într-un articol publicat de American Physical Society.

Inginerul mecanic Michael Napoli de la New York University şi inginerul specializat în sisteme urbane Maurizio Porfiri au dezvoltat modelul împreună cu Garnier.

„Apariţia ritmurilor de activitate în modelul nostru depinde îndeaproape de două elemente esenţiale: colonia trebuie să răspundă la activitatea unui singur individ – fiind sensibilă la contagiunea socială – iar acel individ trebuie să răspândească activitatea mult mai rapid decât durata ciclurilor de izbucnire a activităţii”, i-a declarat Napoli publicaţiei ScienceAlert.

„Această perspectivă poate fi aplicată şi altor sisteme complexe în care poate apărea un comportament asemănător unor izbucniri, dar care nu persistă. Dacă lipseşte unul dintre aceste două elemente, sincronizarea dispare.”

Coloniile de furnici conţin un număr surprinzător de mare de lucrătoare inactive, însă întâlnirea cu o furnică din cuib aflată în mişcare o poate determina pe una dintre cele inactive să înceapă să se deplaseze.

Modelele anterioare reprezentau această activare socială sub forma unei probabilităţi. Noul model ia în calcul şi întâlnirile fizice necesare pentru ca activitatea să se răspândească.

În model, furnicile trec prin trei stări: active, inactive şi refractare.

Furnicile active se deplasează şi pot activa furnicile din apropiere. Furnicile inactive rămân nemişcate, dar pot fi determinate să intre în acţiune. Furnicile aflate în starea refractară sunt staţionare şi, temporar, nu pot fi reactivate, ceea ce împiedică izbucnirile de activitate să continue la nesfârşit.

Parametrii modelului au fost stabiliţi pe baza unor măsurători anterioare.

În simulări, activitatea dispărea înainte să se poată răspândi atunci când furnicile se deplasau prea încet sau se întâlneau prea rar.

Însă, atunci când viteza, densitatea sau raza de interacţiune depăşeau un anumit prag critic, întâlnirile deveneau suficient de frecvente pentru ca activitatea unei singure furnici să se propage în cascadă prin întreaga colonie.

Napoli compară acest efect cu o tranziţie de fază fizică, precum îngheţarea apei, dar subliniază o limitare importantă.

„Tranziţia stabileşte dacă izbucnirea de activitate este posibilă, nu dacă va avea loc o izbucnire în următoarea perioadă de timp”, a spus el.

Prin urmare, modelul nu poate prezice exact când o colonie liniştită va intra brusc în acţiune. El determină dacă colonia se află într-o stare în care este capabilă să producă izbucniri sincronizate.

Cum poate, aşadar, activitatea unei singure furnici să se răspândească în întregul cuib înainte de a dispărea?

„Acesta este, poate, cel mai interesant rezultat al studiului”, a spus Napoli.

Cercetări anterioare au arătat că coloniile de furnici pot funcţiona asemenea unor reţele neuronale atunci când iau decizii colective şi se pot coordona ca un „superorganism” atunci când răspund unor ameninţări.

„Descoperim că izbucnirile din model apar datorită diferenţei dramatice dintre scalele de timp: mişcarea furnicilor – care răspândeşte activitatea – şi ciclul dintre tranziţiile comportamentale – care determină perioada izbucnirilor”, a explicat Napoli.

„Această separare a scalelor de timp creează condiţiile potrivite pentru ca izbucnirile să persiste şi este comparabilă cu numeroase fenomene biologice de tip cascadă asociate procesului de luare a deciziilor.”

Cu alte cuvinte, interacţiunile răspândesc activitatea mult mai rapid decât trece colonia prin ciclul său general de activitate şi repaus. Acest lucru permite mişcării iniţiate de o singură furnică să se transmită de la o furnică la alta, fără existenţa unui comandant.

Izbucnirile simulate au fost, în linii mari, compatibile cu observaţiile raportate în studiile anterioare. Totuşi, noul studiu a fost unul matematic, nu experimental, iar testele pe furnici reale sunt în desfăşurare.

„În prezent, sunt efectuate şi analizate experimente pentru a valida modelul pe baza datelor reale provenite de la furnici”, a mai spus Napoli pentru ScienceAlert.

„Suntem interesaţi în mod special să evaluăm cât de aproape se află colonia de pragul de tranziţie, întrucât izbucnirile de activitate ar putea servi drept mecanism prin care colonia transmite informaţii extrem de rapid prin întregul cuib.”

Rezultatele ar putea arăta cât de aproape de acest prag funcţionează coloniile reale şi dacă izbucnirile de activitate ajută informaţiile să circule eficient. Rămâne însă necunoscut dacă acest mecanism oferă un avantaj evolutiv.

Un studiu de modelare din 2023 a sugerat că mişcarea sincronizată ar putea îmbunătăţi accesul în interiorul cuiburilor aglomerate, reducând obstacolele create de furnicile inactive.

Totuşi, un studiu din 2017 a constatat că ciclurile de activitate pe termen scurt pot împiedica transmiterea informaţiilor atunci când perioadele sincronizate de inactivitate întrerup lanţurile de contact fizic dintre furnicile lucrătoare.

Prin urmare, izbucnirile de activitate ar putea implica un compromis între deplasare, comunicare, consum de energie şi organizarea muncii.