مورچه‌ها چگونه بدون رهبر هماهنگ می‌شوند؟ یک مدل ریاضی راز کلونی را آشکار کرد | دیجینوی
گاهی اتفاقی شگفت‌انگیز در یک کلونی مورچه رخ می‌دهد؛ بخش بزرگی از کلونی تقریباً هم‌زمان به حرکت درمی‌آید. این دوره‌های ناگهانی فعالیت که با نام فوران‌های فعالیت شناخته می‌شوند، پس از مدتی با دوره‌هایی از آرامش نسبی جایگزین می‌شوند.
دانشمندان دهه‌هاست این فوران‌ها را بررسی کرده و شباهت آن‌ها را به گذارهای فازی در سیستم‌های فیزیکی می‌دانند. با این حال، هنوز مشخص نیست تعداد زیادی مورچه چگونه می‌توانند بدون وجود یک رهبر، رفتار خود را تا این اندازه هماهنگ کنند.
یک مدل ریاضی جدید که نتایج آن در مطالعه‌ای منتشرشده در مجله PRX Life ارائه شده، نشان می‌دهد کلونی مورچه‌ها پس از رسیدن به یک نقطه بحرانی می‌تواند به‌طور ناگهانی وارد وضعیت هماهنگ شود.
چگونه یک مورچه می‌تواند موجی از فعالیت را در کل کلونی ایجاد کند؟
پیش از رسیدن کلونی به این نقطه، مورچه‌ها تقریباً مستقل از یکدیگر حرکت می‌کنند. اما زمانی که شرایط از آستانه بحرانی عبور کند، حتی یک مورچه قادر است موجی از فعالیت را در سراسر لانه به راه بیندازد. مایکل ناپولی، مهندس مکانیک دانشگاه نیویورک، و مائوریتزیو پورفیری، مهندس سیستم‌های شهری، این مدل را همراه با گارنیه توسعه داده‌اند.
کلونی‌های مورچه‌ها تعداد قابل‌توجهی کارگر غیرفعال دارند، اما برخورد با یک هم‌لانه‌ای در حال حرکت می‌تواند باعث شود یک مورچه ساکن نیز شروع به فعالیت کند. مدل‌های پیشین این فرایند فعال‌سازی اجتماعی را بر اساس احتمال وقوع آن شبیه‌سازی می‌کردند. مدل جدید علاوه بر این احتمال، برخوردهای فیزیکی میان مورچه‌ها را که برای انتقال فعالیت ضروری هستند نیز در نظر می‌گیرد.
در این مدل، مورچه‌ها میان سه وضعیت فعال، غیرفعال و مقاوم جابه‌جا می‌شوند. مورچه فعال حرکت می‌کند و می‌تواند مورچه‌های نزدیک خود را به فعالیت وادارد. مورچه غیرفعال بی‌حرکت می‌ماند، اما در صورت تحریک می‌تواند شروع به حرکت کند. مورچه مقاوم نیز ساکن است و برای مدتی امکان فعال شدن دوباره را ندارد؛ ویژگی‌ای که مانع ادامه یافتن بی‌پایان فوران‌های فعالیت می‌شود.
در شبیه‌سازی‌ها، زمانی که سرعت حرکت مورچه‌ها پایین بود یا آن‌ها به اندازه کافی با یکدیگر برخورد نمی‌کردند، فعالیت پیش از آنکه در کلونی گسترش پیدا کند، از بین می‌رفت. اما هنگامی که سرعت حرکت، تراکم مورچه‌ها یا محدوده تعامل از یک آستانه مشخص عبور می‌کرد، تعداد برخوردها به اندازه‌ای افزایش می‌یافت که فعالیت آغازشده توسط یک مورچه می‌توانست به شکل زنجیره‌ای در کل کلونی منتشر شود. ناپولی این پدیده را به یک گذار فازی در سیستم‌های فیزیکی، مانند یخ زدن آب، تشبیه می‌کند.
در واقع، تعامل میان مورچه‌ها بسیار سریع‌تر از چرخه گسترده فعالیت و استراحت کلونی رخ می‌دهد. همین تفاوت زمانی اجازه می‌دهد حرکتی که یک مورچه آغاز کرده، از یک هم‌لانه‌ای به دیگری منتقل شود و در سراسر کلونی پیش برود؛ آن هم بدون اینکه فرمانده یا رهبر مشخصی وجود داشته باشد. فوران‌های مشاهده‌شده در شبیه‌سازی‌ها نیز در مجموع با فعالیت‌هایی که در پژوهش‌های پیشین گزارش شده بودند، همخوانی داشتند.
به بیان ساده، تعامل میان مورچه‌ها بسیار سریع‌تر از چرخه گسترده فعالیت و استراحت کلونی رخ می‌دهد. همین تفاوت زمانی اجازه می‌دهد حرکتی که یک مورچه آغاز کرده، از یک هم‌لانه‌ای به دیگری منتقل شود و در سراسر کلونی پیش برود؛ آن هم بدون اینکه فرمانده یا رهبر مشخصی وجود داشته باشد.
فوران‌های مشاهده‌شده در شبیه‌سازی‌ها نیز در مجموع با فعالیت‌هایی که در پژوهش‌های پیشین گزارش شده بودند، همخوانی داشتند. با این حال، مطالعه جدید ماهیتی ریاضی داشت و آزمایش مستقیم روی مورچه‌های زنده بخشی از آن نبود.
