Мурашине гніздо може здаватися безладом з маленьких тіл, які рухаються незалежно. Але час від часу відбувається щось дивовижне: більшість колонії раптово активізується майже одночасно.

Ці раптові сплески активності, відомі як "активні сплески", супроводжуються періодами відносного спокою. Вчені порівнюють ці сплески з фазовими переходами фізичних систем і спостерігають їх протягом десятиліть, але як так багато мурах синхронізуються без лідера залишається незрозумілим.

Нова математична модель, описана в дослідженні, опублікованому в PRX Life, пропонує, що мурашині колонії раптово стають синхронізованими після досягнення критичної точки. До цього моменту мурахи рухаються незалежно. Але як тільки колонія перетинає цю межу, одна мураха може спровокувати хвилю активності по всьому гнізду.

"Синхронізація не залежить від конкретної особи; будь-яка мураха може стати першим рухом", - говорить біолог з Нью-Джерсі Саймон Гарньє. Механічний інженер Нью-Йоркського університету Майкл Наполі та інженер міських систем Мауріціо Порфірі розробили модель разом з Гарньє.

"Виникнення ритмів активності в нашій моделі тісно залежить від двох ключових складових: колонія повинна реагувати на активність однієї особи – бути чутливою до соціального зараження – і ця особа повинна поширювати активність набагато швидше, ніж триває сплеск активності", - зазначив Наполі.

Модель показує, що мурахи переходять між трьома станами: активні, неактивні та рефрактерні. Активні мурахи рухаються і можуть активізувати сусідніх товаришів по гнізду. Неактивні мурахи залишаються нерухомими, але можуть бути спровоковані до дії. Рефрактерні мурахи не можуть реагувати, що запобігає безперервним сплескам.

У симуляціях активність зникала, якщо мурахи рухалися занадто повільно або занадто рідко зустрічалися. Але коли швидкість, щільність або діапазон взаємодії перевищували критичний поріг, зустрічі ставали достатньо частими, щоб активність однієї мурахи поширилася по колонії.

Наполі порівнює цей ефект з фізичним фазовим переходом, таким як замерзання води, але підкреслює важливу межу. "Перехід визначає, чи присутній сплеск, а не чи відбудеться сплеск у наступний період часу", - сказав він.

Таким чином, модель не може точно передбачити, коли спокійна колонія активізується. Вона визначає, чи знаходиться колонія в стані, здатному виробляти синхронізовані сплески.

Цікавий факт

Дослідження показали, що мурашині колонії можуть діяти подібно до нейронних мереж, коли приймають колективні рішення.