Физики поняли, как ходят желтые сумасшедшие муравьи
Одинокий муравей стремительно пересекает пустой пол короткими прямыми рывками. На мгновение замирает, поворачивается на какой-то случайный угол — и снова бежит. Физики уже дали название такому рисунку движения, но подсмотрели его вовсе не у насекомых. Первоисточником оказались бактерии. Джек Федерстоун, аспирант из Окинавского института науки и технологий, решил проверить, насколько хорошо эта заимствованная модель описывает реальных муравьев. Для этого он снимал их на видео строго поодиночке. Полный текст исследования опубликован в журнале PLOS Computational Biology.
Как велось исследование
Федерстоун изучал желтого сумасшедшего муравья (Anoplolepis gracilipes) — одного из самых агрессивных инвазивных видов. В начале XX века эти муравьи были завезены из Юго-Восточной Азии в Австралию и с тех пор распространились по всему миру, активно захватывая городские пространства. Чтобы раздобыть «подопытных», команда исследователей собирала рабочих муравьев вручную прямо в университетском кампусе: на парковках, у дорожек и в зонах отдыха. Каждое насекомое длиной около 5 мм использовали в эксперименте только один раз.
Муравьи знамениты тем, что живут в коллективах, но Федерстоун хотел отсечь все социальные факторы и посмотреть, как будет двигаться отдельная особь.
«Коллективный разум этих созданий во многом строится на индивидуальных движениях, и именно их нам и нужно было понять в первую очередь», — объяснил он.
Каждого муравья помещали в прозрачную акриловую арену размером 15 на 21 см с высокими стенками. Сверху 20 минут в течение 20 минут велась съемка на камеру Nikon D800E со скоростью 60 кадров в секунду. В лаборатории поддерживали температуру около 22°C и 50-процентную влажность — это условия, при которых желтые сумасшедшие муравьи обычно выходят на поиски пищи. Свет при этом не выключали. Затем нейросеть программы SLEAP, обученную на 280 кадрах с разметкой, заставили отслеживать кончик головы, середину груди и кончик брюшка каждого насекомого с погрешностью около 0,2 мм. В итоге набралось более 24 часов видеозаписей для почти сотни муравьев.
Как двигается муравей
Выяснилось, что путь муравья складывается из трех компонентов. Он бежит по прямой с постоянной скоростью, затем в случайный момент останавливается, выжидает и поворачивается на случайный угол, после чего цикл повторяется. По прямой насекомое бежит обычно одну-две секунды. После того, как муравей сделает несколько оборотов, он сбивается со своей первоначальной траектории и его движение начинает напоминать хаотичное колебание частицы в жидкости.
Самая необычная деталь — это паузы. Их длительность подчиняется степенному закону: большинство остановок короткие, но изредка встречаются очень длинные. Точно такое же распределение пауз ранее наблюдали у пустынной саранчи. Федерстоун предполагает, что во время этих «раздумий» муравей либо экономит энергию, либо сканирует обстановку — чем дольше пауза, тем больше данных он успевает собрать.
Ученые честно признаются, что их модель неплохо воспроизводит траектории движения муравья, но совершенно не объясняет, что именно происходит внутри самого насекомого. Тем не менее сделан важный шаг: теперь можно проводить испытания в более сложных условиях, с препятствиями, соседями и едой, которая будет влиять на их поведение.
«Борьба с инвазивными видами — задача непростая, и чаще всего мы способны лишь вовремя обнаружить захватчиков и попытаться замедлить их распространение», — напомнил Федерстоун.
