Паттерны самоорганизации муравьев - Patterns of self-organization in ants

Муравьи вокруг капли меда

Муравьи являются простыми животными, и их поведенческий репертуар ограничен от десяти до сорока элементарных форм поведения. Это попытка объяснить разные модели самоорганизация в муравьях.[1]

Муравьи как сложные системы

Колонии муравьев представляют собой самоорганизованные системы: сложное коллективное поведение возникает как продукт взаимодействия между множеством особей, каждый из которых следует простому набору правил, а не через нисходящие инструкции от элитных особей или королевы. Ни один рабочий не обладает универсальными знаниями о нуждах колонии; отдельные работники реагируют только на свою местную среду. Из-за этого муравьи являются популярным источником вдохновения для проектирования в области разработки программного обеспечения, робототехники, промышленного дизайна и других областей, в которых задействовано множество простых частей, работающих вместе для выполнения сложных задач.[2]

Самая популярная современная модель самоорганизации муравьев и других социальных насекомых - это модель порога реакции. Порог для конкретной задачи - это количество стимула, например феромон или взаимодействия с другими работниками, необходимые для того, чтобы заставить работника выполнить связанную задачу. Более высокий порог требует более сильного стимула и, таким образом, означает меньшее предпочтение при выполнении конкретной задачи. У разных работников разные пороговые значения для разных задач, что позволяет определенным работникам действовать как специалисты, которые предпочтительно выполняют одну или несколько задач. На пороговые уровни могут влиять несколько факторов: возраст работника, поскольку с возрастом работники часто переключаются с работы внутри гнезда на работу вне гнезда;[3] размер, поскольку более крупные рабочие часто выполняют разные задачи, такие как защита или обработка семян; каста; здоровье, поскольку травмы могут побудить молодых рабочих раньше переключиться на работу вне гнезд;[3] или быть распределенными случайным образом. По мере увеличения спроса на задание увеличивается и доля работников, чьи пороговые значения достигаются; по мере снижения спроса достигается меньшее количество рабочих пороговых значений и меньше рабочих выделяется на выполнение этой задачи. Таким образом, простые индивидуальные правила позволяют регулировать крупномасштабную работу в различных условиях. Эта система также может развиваться в зависимости от различных сред и стратегий жизненного цикла, что приводит к огромным вариациям, наблюдаемым у муравьев.

Бифуркация

Это мгновенный переход всей системы к новому стабильному паттерну при достижении порога. Бифуркация также известен как мультистабильность, в которой возможно множество стабильных состояний.[4]

Примеры типов паттернов:

  1. Переход между неупорядоченным и упорядоченным узором
  2. Переход от равномерного использования многих источников пищи к одному источнику.
  3. Формирование разветвленных гнездовых ходов.
  4. Групповое предпочтение одного выхода убегающими муравьями.
  5. Цепное формирование взаимного захвата ног.

Синхронизация

Колеблющиеся паттерны активности, в которых люди на разных уровнях активности стимулируют друг друга, возникающие в результате взаимной активации.[4]

Примеры типов паттернов:

  1. Короткие ритмы, возникающие в результате механической активации при физическом контакте.
  2. Долгосрочные ритмы, в которых временные изменения потребностей в пище и личинках стимулируют изменения репродуктивного цикла.

Самоорганизованные волны

Бегущие волны химической концентрации или механической деформации.[4]

Примеры типов паттернов:

  1. Сигнальные волны распространяются при физическом контакте.
  2. Вращающиеся тропы из-за пространственных изменений пищевых ресурсов, влияющих на прокладку троп.

Самоорганизованная критичность

Самоорганизованная критичность представляет собой резкое нарушение системы, возникающее в результате нарастания событий без внешних стимулов.[4]

Примеры типов паттернов:

  1. Резкие изменения кормовой активности.
  2. Механический захват ног, образующий муравьиные капли.

Рекомендации

  1. ^ Социальные насекомые и самоорганизация
  2. ^ Холбрук, К. Тейт; Кларк, Ребекка М .; Мур, Дэни; Оверсон, Рик П .; Penick, Clint A .; Смит, Адриан А. (23 августа 2010 г.). «Социальные насекомые вдохновляют человеческий дизайн». Письма о биологии. 6 (4): 431–433. Дои:10.1098 / рсбл.2010.0270. ISSN  1744-9561. ЧВК  3226954. PMID  20392721.
  3. ^ а б Морон Д., Витек М., Войцеховски М. Разделение труда среди рабочих с разной продолжительностью жизни у муравья Myrmica scabrinodis (2008) Animal Behavior, 75 (2), стр. 345-350.
  4. ^ а б c d Детрен, К., и Дж. Л. Денебург. 2006. "Самоорганизованные структуры в суперорганизме: муравьи «ведут себя» как молекулы? " Обзоры физики жизни (ISSN  1571-0645 ). 3, вып. 3: 162-187.