Коллективное движение: ученые объяснили муравьиные пробки

Чтобы избежать пробок при перемещении по двум встречным потокам, аргентинские муравьи (Linepithema humile) адаптируют свое поведение в зависимости от плотности.

Для того, чтобы выяснить это, ученые из США, Австралии и Франции провели серию экспериментов, в которых следили за движением колоний муравьев с разным количеством особей по мостикам с разной шириной, а затем оценивали поток перемещения как линейную функцию зависимости от их плотности. Оказалось, что при достижении критической плотности (восемь особей на квадратный сантиметр) поток не идет на спад, а остается постоянным. Использование различных стратегий (от увеличения скорости до полного прекращения движения) позволяет муравьям избегать пробок даже при занятости обоих потоков на 80 процентов, пишут ученые в журнале eLife.

Муравьи - одни из немногих животных, которым приходится не просто двигаться в группах в одном направлении, но также и сталкиваться со своими сородичами при встречном движении, что потенциально может привести к образованию пробок. При этом, в отличие от людей, которые тормозят движение во встречных потоках как в автомобилях, так и в толпе, муравьи с передвижением справляются достаточно эффективно: их способность избегать пробок даже вдохновляет исследователей, которые занимаются алгоритмами для управления роем роботов. 

О том, как зависит движение муравьев от количества особей, их скорости и ширины пути, по которому они движутся, известно достаточно мало. Разобраться в этом подробнее решили ученые под руководством Одри Дюссютур (Audrey Dussutour) из Университета Тулузы. Они собрали установку, где гнездо муравьев небольшим мостиком соединялось с комнатой, в которой находился сахарный сироп. Перед экспериментом муравьев не кормили в течение пяти дней, поэтому их задача состояла в том, чтобы быстро добраться до еды и вернуться обратно в гнездо: ученые отметили, что муравьи не задерживались у сиропа, так как быстро оценивали риск попасть в толпу и не выбраться. В эксперименте ученые использовали колонии численностью от 400 до 25600 рабочих особей, а также меняли ширину мостика (0,5, 10 и 20 сантиметров).

Перемещение муравьев по мостику снимали на видео в течение часа после того, как муравьям открывали путь на мостик. Количество муравьев в каждом из потоков (то есть убывающих из гнезда и прибывающих в него) измеряли с интервалом в одну секунду с того момента, как первый муравей пересекал середину моста. Также ученые регистрировали количество столкновений муравьев. Всего ученые провели 170 экспериментов с разным количеством особей и разной шириной мостика. 

В каждом эксперименте ученые рассчитали поток муравьев - количество муравьев, которые пересекают определенную местность в установленный промежуток времени: для этого посчитали произведение количества особей на определенном участке, или плотность, на их скорость. Ученые заметили, что поток растет с увеличением плотности, но до определенного момента: когда количество особей на один квадратный сантиметр достигает восьми, поток становится более-менее постоянным.

Так как поток возрастал до восьми, а затем оставался постоянным, ученые разделили его на две фазы: до и после того, как количество особей на квадратный сантиметр достигает восьми. Во второй фазе, несмотря на увеличивающуюся плотность, поток оставался постоянным: муравьи не создавали пробок и не мешали движению друг друга. Для того, чтобы разобраться, как это происходит, ученые оценили зависимость скорости муравьев от плотности на мосту и количества столкновений. Выяснилось, что муравьи ускоряются с повышением плотности, достигают максимальной скорости (чуть меньше трех сантиметров в секунду) в момент, когда плотность достигает пяти особей на квадратный сантиметр, а затем замедляются, чтобы избежать столкновений с муравьями из смежного потока.

При этом, по-видимому, муравьи также использовали и другую стратегию: ученые отметили, что плотность муравьев на мостике не превышала 18 особей на квадратный сантиметр даже при увеличении численности колонии. Муравьи, другими словами, попросту избегали пробок, пережидая в гнезде, чтобы поток оставался непрерывным.

Ученые, таким образом, показали, что аргентинские муравьи при движении по двум встречным потокам ведут себя достаточно слаженно и адаптируют свое поведение для того, чтобы избежать задержек в передвижении. По их расчетам, движение муравьев в двух встречных потоках не нарушается даже при загруженности мостика на 80 процентов: для сравнения, отмечают исследователи, пробки при движении транспорта могут возникнуть, когда дороги загружены уже на 40 процентов. Несмотря на то, что авторам удалось построить достаточно точную модель для описания движения особей, они уточняют, что природу тактики, которую используют муравьи, еще предстоит изучить.

Муравьи не только мастерски избегают пробок, но также и достаточно умело строят различные конструкции, которые помогают им выживать и добывать пищу. Пожалуй, одно из самых интересных сооружений - это живые башенки, которые огненные муравьи строят для того, чтобы спастись от наводнений: в высоту такие башни могут достигать 30 особей.