مدل ریاضی جدید: چگونه مورچه‌ها بدون رهبر هماهنگ حرکت می‌کنند؟

کد خبر: ۹۳۶۳۳۹
تاریخ انتشار: ۳۶ : ۱۵ – ۰۲ شهریور ۱۴۰۵

مدل ریاضی جدیدی که حرکات دسته‌جمعی مورچه‌ها را توضیح می‌دهد، نشان می‌دهد که برخورد فیزیکی مورچه‌ها پس از عبور از یک نقطه بحرانی، امواج فعالیت هماهنگ را در کلنی به راه می‌اندازد. به گزارش انتخاب، محیط داخلی لانه‌ی مورچه‌ها در ابتدا ممکن است به‌نظر آشفته و پر از بدن‌های کوچک باشد که هرکدام به‌طور مستقل حرکت می‌کنند. اما گاهی اوقات، یک پدیده شگفت‌انگیز رخ می‌دهد: بخش بزرگی از کلونی تقریباً هم‌زمان به حرکت درمی‌آید. این دوره‌های ناگهانی فعالیت که به‌عنوان «انفجارهای فعالیت» شناخته می‌شوند، با دوره‌های آرامش نسبی دنبال می‌شوند.

دانشمندان این انفجارها را با گذار فاز در سامانه‌های فیزیکی مقایسه کرده و سال‌هاست که آن‌ها را مشاهده کرده‌اند. اما هنوز مشخص نیست که چگونه تعداد زیادی مورچه می‌توانند بدون وجود یک رهبر، حرکات خود را به‌طور هماهنگ انجام دهند. به‌گزارش انتخاب، مدل ریاضی جدیدی نشان می‌دهد که کلنی مورچه‌ها پس از عبور از یک آستانه بحرانی می‌تواند از وضعیت فعالیت مستقل به حالتی از فعالیت هماهنگ برسد. در این حالت، فعالیت یک مورچه می‌تواند به‌صورت موجی در سراسر لانه منتشر شود و سایر مورچه‌ها را نیز به حرکت وادارد.

این پژوهش بر نقش حرکت مورچه‌ها و تعامل میان آن‌ها تمرکز دارد و سازوکاری را برای شکل‌گیری فوران‌های جمعی پیشنهاد می‌کند. سایمون گارنیه، زیست‌شناس مؤسسه فناوری نیوجرسی، بیان می‌کند که هماهنگی کلنی به هیچ مورچه خاصی وابسته نیست و هر مورچه‌ای می‌تواند آغازگر فعالیت باشد. مایکل ناپولی، مهندس مکانیک دانشگاه نیویورک و مائوریتسیو پورفیری، مهندس سامانه‌های شهری، این مدل را به‌همراه گارنیه طراحی کرده‌اند. ناپولی می‌گوید: «پیدایش ریتم‌های فعالیت در مدل به دو مؤلفه کلیدی وابسته است: کلنی باید به فعالیت مورچه‌ای منفرد پاسخ‌گو باشد و آن فرد هم باید فعالیت را بسیار سریع‌تر از مقیاس زمانی فوران‌های فعالیت گسترش دهد. این بینش، چشم‌اندازی تازه برای دیگر سامانه‌های پیچیده فراهم می‌کند که رفتارهای فوران‌گونه دارند، اما پایدار نیستند. فقدان یکی از این دو مؤلفه، هماهنگی را از بین می‌برد.

کلنی‌های مورچه‌ها معمولاً دارای تعداد زیادی کارگر غیرفعال هستند، اما برخورد با یک هم‌لانه‌ای در حال حرکت می‌تواند مورچه‌ای ساکن را نیز فعال کند. مدل‌های پیشین، فعال‌سازی اجتماعی را بیشتر به‌صورت یک احتمال در نظر می‌گرفتند؛ اما مدل جدید علاوه بر آن، برخوردهای فیزیکی میان مورچه‌ها و نقش حرکت آن‌ها در انتقال فعالیت را نیز وارد محاسبات می‌کند. در این مدل، مورچه‌ها میان سه وضعیت جابه‌جا می‌شوند: فعال، غیرفعال و غیرپاسخگو. مورچه‌های فعال حرکت می‌کنند و می‌توانند مورچه‌های نزدیک را فعال کنند. مورچه‌های غیرفعال ساکن می‌مانند، اما در صورت تعامل با یک مورچه فعال ممکن است به حرکت درآیند. مورچه‌های غیرپاسخگو نیز برای مدتی ساکن و نسبت به فعال‌شدن مجدد مقاوم هستند. این مرحله باعث می‌شود یک فوران فعالیت بدون توقف، ادامه پیدا نکند و در نهایت فروکش کند.

پارامترهای مدل بر اساس اندازه‌گیری‌های پیشین تعیین شده‌اند. شبیه‌سازی‌ها نشان داده‌اند که اگر مورچه‌ها بیش‌از‌حد آهسته حرکت کنند یا به‌ندرت با یکدیگر برخورد داشته باشند، فعالیت یک مورچه پیش از آنکه در کلنی گسترش پیدا کند، از بین می‌رود. اما با افزایش سرعت حرکت، تراکم مورچه‌ها یا دامنه تعامل، نقطه‌ای بحرانی ایجاد می‌شود که در آن برخوردها به‌اندازه کافی افزایش می‌یابند و فعالیت یک مورچه می‌تواند به‌صورت زنجیره‌ای در کلنی منتشر شود. پژوهشگران تغییرات کلنی مورچه را به «گذار فاز» در سامانه‌های فیزیکی تشبیه می‌کنند؛ برای مثال، آب با رسیدن به شرایط مناسب به یخ تبدیل می‌شود و ویژگی‌های سامانه به‌طور ناگهانی تغییر می‌کند.

اگرچه مدل مورچه‌ها نمی‌تواند زمان دقیق وقوع یک فوران را پیش‌بینی کند، اما رسیدن کلنی به آستانه‌ی بحرانی نشان می‌دهد که سامانه در وضعیتی قرار گرفته که امکان شکل‌گیری فوران هماهنگ در آن وجود دارد. اما چگونه فعالیت یک مورچه پیش از آنکه خاموش شود، می‌تواند در سراسر لانه گسترش پیدا کند؟ ناپولی می‌گوید که یکی از مهم‌ترین یافته‌های مدل همین موضوع است. تفاوت چشمگیر میان دو مقیاس زمانی، یعنی سرعت حرکت مورچه‌ها و سرعت چرخه‌های رفتاری کلنی، به شکل‌گیری فوران‌ها کمک می‌کند. حرکت مورچه‌ها، فعالیت را در مقیاسی زمانی بسیار کوتاه‌تر از چرخه کلی فعالیت و استراحت کلنی منتقل می‌کند. بنابراین، هنگامی که یک مورچه فعال می‌شود، فرصت کافی دارد تا با مورچه‌های دیگر برخورد و آن‌ها را فعال کند؛ در نتیجه، فعالیت می‌تواند مانند موج در شبکه‌ای از تعامل‌های فیزیکی در سراسر لانه گسترش پیدا کند، بدون آنکه به فرمانده یا هماهنگ‌کننده مرکزی نیاز باشد.

این کشف جدید با پژوهش‌های پیشین درباره‌ی رفتار جمعی مورچه‌ها همخوانی دارد. مطالعات گذشته نشان داده‌اند که کلنی‌های مورچه هنگام تصمیم‌گیری جمعی می‌توانند رفتاری شبیه شبکه‌های عصبی داشته باشند و در مواجهه با تهدیدها نیز به‌صورت یک «فراارگانیسم» هماهنگ عمل کنند. پژوهش جدید نشان می‌دهد که تفاوت در مقیاس زمانی حرکت و تغییر وضعیت رفتاری می‌تواند یکی از سازوکارهای ایجاد این هماهنگی باشد. اما باید توجه داشت که مطالعه‌ی جدید، بر پایه‌ی ریاضی و مدل‌سازی انجام شده و آزمایش مستقیمی روی مورچه‌های زنده انجام نداده است. پژوهشگران اکنون در حال انجام آزمایش با کلنی‌های واقعی هستند تا پیش‌بینی‌های مدل را با داده‌های تجربی مقایسه کنند.

یکی از اهداف آزمایش‌ها، بررسی فاصله‌ی کلنی‌های واقعی از آستانه‌ی گذار است. اگر کلنی‌ها معمولاً نزدیک این آستانه فعالیت کنند، فوران‌های فعالیت می‌توانند راهی بسیار سریع برای انتقال اطلاعات یا تغییر رفتار در سراسر لانه باشند. با این حال، هنوز مشخص نیست که چنین الگویی چه مزیت تکاملی مشخصی برای مورچه‌ها ایجاد می‌کند. فعالیت فورانی حتی می‌تواند مزایا و معایبی هم‌زمان داشته باشد. مطالعه‌ای در سال ۲۰۲۳ پیشنهاد کرد که حرکت هماهنگ مورچه‌ها می‌تواند با کاهش موانعی که کارگران غیرفعال ایجاد می‌کنند، دسترسی به بخش‌های مختلف لانه را در محیط‌های شلوغ آسان‌تر کند. از سوی دیگر، پژوهشی در سال ۲۰۱۷ نشان داده است که چرخه‌های کوتاه‌مدت فعالیت ممکن است در برخی شرایط انتقال اطلاعات را مختل کنند؛ زیرا بی‌تحرکی هم‌زمان مورچه‌ها می‌تواند زنجیره تماس‌های فیزیکی میان کارگران را قطع کند. در نتیجه، فوران‌های فعالیت احتمالاً تنها پدیده‌ای ساده برای هماهنگ‌سازی حرکت مورچه‌ها نیستند و می‌توانند حاصل موازنه‌ای میان حرکت، ارتباط، مصرف انرژی و سازمان‌دهی فعالیت در کلنی باشند. مدل جدید چارچوبی ریاضی برای بررسی این موازنه ارائه می‌دهد، اما پاسخ نهایی درباره‌ی نقش فوران‌ها در زندگی واقعی مورچه‌ها به نتایج آزمایش‌های آینده بستگی دارد.