هماهنگی بدون رهبر؛ مدل ریاضی جدید راز حرکات دسته‌جمعی مورچه‌ها را توضیح می‌دهد

محیط داخل لانه‌ی مورچه‌ها ممکن است در نگاه اول فضایی آشفته از بدن‌های کوچکی به نظر برسد که هرکدام مستقل از دیگری حرکت می‌کنند. اما هر از گاهی اتفاقی شگفت‌انگیز رخ می‌دهد: بخش بزرگی از کلونی تقریباً هم‌زمان به حرکت درمی‌آید. این دوره‌های ناگهانی فعالیت که «انفجارهای فعالیت» نامیده می‌شوند، با دوره‌هایی از آرامش نسبی دنبال می‌شوند.

دانشمندان این انفجارهای فعالیت را با گذار فاز در سامانه‌های فیزیکی مقایسه می‌کنند و دهه‌هاست آن‌ها را مشاهده کرده‌اند؛ اما هنوز مشخص نیست تعداد زیادی مورچه چگونه می‌توانند بدون داشتن یک رهبر، حرکات خود را تا این حد هماهنگ کنند.

به‌گزارش ساینس‌آلرت، اکنون مدل ریاضی تازه‌ای نشان می‌دهد کلنی مورچه‌ها پس از عبور از آستانه‌ای بحرانی می‌تواند از وضعیت فعالیت مستقل به حالتی از فعالیت هماهنگ برسد. در این شرایط، فعالیت یک مورچه می‌تواند مانند موجی در سراسر لانه منتشر شود و مورچه‌های دیگر را نیز به حرکت وادارد. پژوهش با تمرکز بر نقش حرکت مورچه‌ها و تعامل میان آن‌ها، سازوکاری را برای شکل‌گیری فوران‌های جمعی پیشنهاد می‌کند.

سایمون گارنیه، زیست‌شناس مؤسسه فناوری نیوجرسی، می‌گوید هماهنگی کلنی به هیچ مورچه‌ی خاصی وابسته نیست و هر مورچه‌ای می‌تواند آغازگر فعالیت باشد. مایکل ناپولی، مهندس مکانیک دانشگاه نیویورک و مائوریتسیو پورفیری، مهندس سامانه‌های شهری، مدل تازه را همراه با گارنیه ابداع کردند.

ناپولی می‌گوید: «پیدایش ریتم‌های فعالیت در مدل به دو مؤلفه‌ی کلیدی وابسته است، کلنی باید به فعالیت مورچه‌ای منفرد پاسخ‌گو باشد، یعنی نسبت به سرایت اجتماعی حساس 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 شمار زیادی کارگر غیرفعال دارند، 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 مدل تازه، 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 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 دادند 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.

اما چگونه فعالیت یک مورچه پیش از آنکه خاموش شود، می‌تواند در سراسر لانه گسترش پیدا کند؟ به‌گفته‌ی ناپولی، 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.

کشف تازه با پژوهش‌های پیشین درباره‌ی رفتار جمعی مورچه‌ها نیز همخوان است. مطالعات گذشته نشان داده‌اند 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 تفاوت در مقیاس زمانی حرکت و تغییر وضعیت رفتاری می‌تواند یکی از سازوکارهای ایجاد این هماهنگی باشد.

اما باید توجه کرد 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. بااین‌حال، هنوز مشخص نیست 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.

مطالعه در PRX Life منتشر شده است.