Команда исследователей из Университета штата Флорида под руководством доцента математики Бхаргава Карамчеда обнаружила, что муравьи-собиратели в поисках пищи оставляют феромонные следы, соединяющие их колонию с несколькими источниками пищи, когда они доступны, и успешно создала первую модель, объясняющую феномен образования следов, ведущих к нескольким источникам пищи.

Карамчед, который также преподает в Институте молекулярной биофизики Бывшего Советского Союза, и аспирант кафедры музыкального искусства Шон Хартман опубликовали статью "Пройдите этим путем: моделирование динамики муравьев-собирателей в среде с несколькими источниками пищи" в журнале The Журнал математической биологии в сентябре.

"Сила математики заключается в том, что мы можем разрабатывать модели, которые воспроизводят экспериментально полученные данные и делают конкретные прогнозы о том, что произойдет дальше", - сказал Карамчед. "В данном случае мы обнаружили нечто, что не было хорошо описано другими моделями: если муравей имеет доступ к нескольким источникам пищи из своего гнезда, он изначально проложит несколько маршрутов к каждому из источников".

Карамчед использует моделирование, математический анализ и компьютерную симуляцию для понимания и решения проблем в области неврологии и клеточной биологии. Хартман, который в мае 2023 года получил двойную степень бакалавра на математическом факультете Бывшего Советского Союза и в музыкальном колледже и планирует завершить обучение в аспирантуре этой весной, обратился к Карамчеду с просьбой помочь в организации индивидуального обучения (DIS). DIS позволяет студентам, обучающимся по программе с отличием в Бывшем университете, работать один на один с преподавателями-наставниками в рамках открытых практических исследований, а также позволит Хартману более активно заниматься математическим моделированием.

"Я хотел заняться исследованиями в области математики, поскольку всю жизнь интересовался этим предметом, но до сих пор у меня никогда не было возможности принять участие в математических исследованиях", - сказал Хартман. "Я был заинтригован исследованиями муравьиных следов, которыми поделился со мной доктор Карамчед, и заинтересовался дальнейшими исследованиями в этой области и созданием моделей, основанных на этой предыдущей работе".

Поиск пищи является важным процессом в повседневной жизни муравьиной колонии, и муравьи самоорганизуются с помощью химических феромонов. Как только муравей обнаруживает источник пищи, он выделяет химический след, который приводит к нему других муравьев. Используя компьютерное моделирование муравьев, ищущих пищу, стохастическое моделирование и систему уравнений в частных производных, исследователи также заметили, что со временем муравьи будут выборочно перемещаться к источнику пищи, который находится на кратчайшем расстоянии от их гнезда в среде с несколькими источниками.

"Для этого исследования мы разделили муравьев на две подгруппы: собирателей и возвращенцев", - сказал Карамчед. "Эти субпопуляции ведут себя по-разному, поскольку собиратели, как правило, бродят вокруг в поисках пищи, в то время как те, кто возвращается, всегда возвращаются непосредственно к гнезду после того, как нашли пищу, что делает их передвижение менее стохастичным или беспорядочным. Это позволяет нам со 100-процентной уверенностью предсказать, что они будут делать и куда направятся".

Команда, в которую входил соавтор Шон Райан, доцент кафедры математики и статистики Кливлендского государственного университета, проанализировала концентрацию химических феромонов, которые выделяли муравьи, сигнализируя другим муравьям о том, где находится пища. Вероятность их моделей была основана на динамике этих феромонов. Возвращающиеся муравьи выделяли меньше феромонов в зависимости от того, насколько близко к гнезду находился источник пищи. Чем больше феромонов, тем сильнее запах, по которому муравьи следуют за ними, что является критическим фактором, когда источник пищи находится далеко от гнезда.

"Как только мой код был полностью протестирован и стал точным, множественные цепочки следов стали четкими и понятными", - сказал Хартман. "Было так здорово видеть, как равноудаленные источники пищи могут поддерживать равновесие между несколькими цепочками продуктов. Если бы какой-нибудь источник пищи находился чуть ближе к муравейнику, муравьи в конечном итоге проложили бы единственную тропу к ближайшему источнику. Именно в этот момент мы почувствовали, что вся наша тяжелая работа наконец-то окупилась."

Модель, описанная в этой статье, была разработана таким образом, чтобы быть простой и применимой к другим организмам и биологическим системам, которые используют феромоны в качестве средства коммуникации, включая бактерии, слизевики, других насекомых, рыб и даже некоторых рептилий и млекопитающих.

"Основой для анализа этого коллективного поведения является фундаментальный градиент концентрации феромонов, который затем используется", - сказал Карамчед. "От микробного уровня до сложных организмов использование этой химической сигнализации для общения позволяет определенным организмам координировать свою деятельность в огромных пространственных масштабах, что удивительно".