_ „Mergi în acest fel”: Model explică modul în care furnicile creează urme către mai multe surse de hrană

Este o priveliște obișnuită - furnicile care mărșăluiesc într-o linie ordonată peste și în jurul obstacolelor de la cuibul lor la o sursă de hrană, ghidate de urmele de miros lăsate de cercetașii care marcau găsirea. Dar ce se întâmplă atunci când acei cercetași găsesc un filtru de mamă comestibil?

O echipă de cercetători de la Universitatea de Stat din Florida condusă de profesorul asistent de matematică Bhargav Karamched a descoperit că, în căutarea hranei de către furnici care caută hrană, aceasta va lăsa urme de feromoni conectate. colonia sa la mai multe surse de hrană atunci când acestea sunt disponibile, creând cu succes primul model care explică fenomenul de formare a urmei la mai multe surse de hrană.

Karamched, care servește și ca profesor la Institutul de Biofizică Moleculară din FSU, și studentul absolvent al administrației artelor muzicale, Sean Hartman, au publicat „Walk This Way: Modeling Foraging Ant Dynamics in Multiple Food Source Environments” în Journal of Mathematical Biology în septembrie.

„Puterea matematicii este că putem concepe modele care reproduce datele observate experimental și fac predicții concrete despre ceea ce se va întâmpla în continuare”, a spus Karamched. „În acest caz, am descoperit ceva care nu a fost descris bine de alte modele: dacă o furnică are acces la mai multe surse de hrană din cuibul său, inițial va face mai multe urme către fiecare dintre surse.”

Karamched folosește modelarea, analiza matematică și simulările pe computer pentru a înțelege și rezolva probleme din neuroștiință și biologia celulară. Hartman, care a obținut două diplome de licență de la Departamentul de Matematică și Colegiul de Muzică al FSU în mai 2023 și se așteaptă să-și finalizeze studiile postuniversitare în această primăvară, l-a abordat pe Karamched pentru a-i ajuta cu un Studiu Individual Dirijat (DIS). DIS permite studenților din Programul de onoare al FSU să lucreze unul la unu cu mentorii facultății într-o experiență de cercetare deschisă și practică și i-ar permite lui Hartman să fie mai implicat în modelarea matematică.

„Am vrut să urmăresc cercetări în matematică, deoarece am avut un interes de-a lungul vieții pentru subiect, dar nu am avut niciodată ocazia să iau parte la cercetări bazate pe matematică până acum”, a spus Hartman. „Am fost intrigat de cercetările pe urmele furnicilor pe care dr. Karamched mi-a împărtășit-o și am devenit interesat să continui cercetările ulterioare și să creez modele bazate pe această lucrare anterioară.”

Căutarea de resurse este un proces esențial pentru viața de zi cu zi a unei colonii de furnici, iar furnicile se vor autoorganiza folosind feromoni chimici. Odată ce o furnică detectează o sursă de hrană, secretă o urmă chimică pentru a conduce alte furnici la sursă. Folosind simulări computaționale ale furnicilor care caută hrană, modelare stocastică și un sistem de ecuații diferențiale parțiale, cercetătorii au observat, de asemenea, că, în timp, furnicile vor călători selectiv la sursa de hrană care este cea mai scurtă distanță de la cuibul său într-un mediu cu surse multiple. .

„Pentru această cercetare, am împărțit furnicile în două subpopulații: furători și cei care se întorc”, a spus Karamched. „Aceste subpopulații se comportă diferit, deoarece vânătorii au tendința de a rătăci în căutarea hranei, în timp ce cei care se întorc se întorc întotdeauna direct la cuib după ce găsesc hrană, făcând mișcarea lor mai puțin stohastică sau aleatorie. Acest lucru ne permite să prezicem cu o certitudine de 100% ceea ce fac. sau unde ar merge.”

Echipa, inclusiv colaboratorul Shawn Ryan, profesor asociat la Departamentul de Matematică și Statistică de la Universitatea de Stat din Cleveland, a luat în considerare concentrația de feromoni chimici pe care furnicile le-au secretat, semnalând altora. furnici unde este mâncarea. Probabilitatea modelelor lor s-a bazat pe dinamica acestor feromoni.

Furnicile care se întorc ar secreta mai puțini feromoni, în funcție de cât de aproape era sursa de hrană de cuib. Mai mulți feromoni au creat un miros mai puternic pe care să-l urmărească furnicile, un factor critic atunci când sursa de hrană este situată departe de cuib.

„Odată ce codul meu a fost complet testat și precis, formațiunile de urme multiple au devenit distincte și au fost ușor de înțeles”, a spus Hartman.

„A fost atât de cool să vedem cum sursele de hrană echidistante ar putea menține mai multe urme de hrană ca un echilibru dacă o singură sursă de hrană ar fi doar puțin mai aproape de cuibul furnicilor, furnicile aveau în cele din urmă să formeze un singur traseu până la cea mai apropiată sursă. conceput pentru a fi simplu și aplicabil altor organisme și sisteme biologice care folosesc feromonii ca formă de comunicare, inclusiv bacterii, mucegaiuri, alte insecte, pești și chiar unele reptile și mamifere.

„Cadru pentru analizarea acestui comportament colectiv rezidă în gradientul fundamental de concentrație a feromonilor, apoi lucrând de acolo”, a spus Karamched.

„De la nivel microbian la organisme complexe, utilizarea acestei semnalizări chimice pentru a comunica permite anumitor organisme să coordoneze activitatea la scari spațiale uriașe, ceea ce este fascinant.”

(Fluierul)