الحركة الجماعية: كيف درس العلماء النمل الفلين

كما أتذكر الآن ، صباح يوم من أيام الأسبوع ، أنت في عجلة من أمرك للدراسة. تقترب من محطة المواصلات العامة ، انظر إلى حشد من الناس يشبهون مسيرة من طيور البطريق في تحركاتهم. نظرتم إلى الطريق حيث يذهب الدراج بجوار دراجته أسرع من حركة السيارات. أنت تدرك أنه لا يوجد شيء يصطاده هنا ، أنت تستدير وتمشي. هناك اختناقات مرورية في كل مكان: على الطرق يقومون بتدريب الصبر البوذي مع السائقين ، وفي وسائل النقل العام يسمحون لك بإجراء درس اليوغا ، سواء أعجبك ذلك أم لا. السبب الرئيسي للتأخير في حركة المرور هو وجود عدد كبير جدًا من المركبات أو الأشخاص لمسار حركة مرور معين لا يستطيع التعامل مع هذا التدفق. تحدث أعداد كبيرة من الأفراد أيضًا بين الحياة البرية ، ويحارب كل نوع الفلين بطريقته الفريدة. ويطلق على النمل بحق واحد من أفضل الأمور في التنظيم والتعاون. تعيش مدمني العمل الصغار في آلاف عديدة ، وحتى في ملايين المستعمرات ، ولكن في الوقت نفسه لا تواجه أي "مسرات" لاختناقات المرور. بطبيعة الحال ، فإن السؤال الذي يطرح نفسه - كيف يفعلون ذلك؟ يبحث علماء من جامعة أريزونا (الولايات المتحدة الأمريكية) وتولوز (فرنسا) عن إجابة لهذا السؤال. كيف بالضبط النمل محاربة الاختناقات المرورية وأي من أساليبهم يمكن تطبيقها علينا ، والتي ليست كذلك؟ نتعرف على هذا من تقرير مجموعة الأبحاث. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

لطالما ارتبط النمل مع مدمني العمل والتقسيم الطبقي للمجتمع وفقًا لماركس. تحتوي عائلة النمل على حوالي 14000 نوع تعيش في جميع أنحاء الكوكب ، باستثناء القارة القطبية الجنوبية. إذا قمت بحساب جميع النمل على الأرض ، فسيشكلون حوالي 10-25 ٪ من الكتلة الحيوية للحيوانات الأرضية. ويستند نجاح النمل على قدرتهم على التكيف مع الظروف البيئية المتغيرة والتنظيم لا يصدق.


الفيلم الوثائقي "إمبراطورية النمل" (بي بي سي ، ديفيد أتينبورو ، 2018).

عند النظر في كيفية بناء النمل لمستعمراته المذهلة ، والتحرك في صفوف منظمة ، ويبدو أنه لا يتوقف أبدًا ، يبدو أن كل واحد منهم جسيم لكائن واحد - عقل جماعي. وهذا هو السبب في أن اهتمام العلماء بهذه الحشرات لا يتلاشى.


هجرة قطيع من الحيوانات البرية.

إذا تحدثنا عن الحركة ، فإن العديد من الكائنات الحية بشكل أو بآخر تشارك في الحركة الجماعية: مستعمرات الحشرات ، مدارس الأسماك ، قطعان ذوات الحوافر المهاجرة ، قطعان الطيور ، إلخ. في معظم الأحيان ، يتحرك معظم الأفراد على مسار واحد (ناقل) ، ولكن على طول مسارهم الفريد ، مما يسهل التنسيق بين هذا الفرد والتيار بأكمله. تبدأ المشاكل إذا تحرك البعض في اتجاه واحد ، بينما تحرك آخرون تجاههم. في هذه الحالة ، يصعب تجنب الاصطدامات. لكن مثل هذا الموقف ليس واسع الانتشار في عالم الحيوانات كما قد يبدو للوهلة الأولى. تذكر كيف يبدو قطيع من الحيوانات البرية ، يعمل عبر الحقل أثناء فترة الترحيل. يتحرك التدفق في اتجاه واحد مشترك لجميع الأفراد ، وهو نوع من الطريق أحادي الاتجاه. البشر هم أحد الكائنات القليلة التي يمكنها التحرك الجماعي في كلا الاتجاهين في وقت واحد ، أي على طريق ثنائي الاتجاه. النمل قادر أيضًا على تحقيق هذه الخدعة ، والتي تبدو شائعة جدًا بالنسبة لنا ، ولكن بالنسبة للكائنات الجماعية فهي فريدة من نوعها للغاية.


تقوم قاطعات الأوراق ببناء مزارع حيث ينموون الفطر على ركيزة من الأوراق الممضوغة.

يجب على النمل السفر كثيرًا ، حيث يعيش في نقطة واحدة (النمل) ، ويحصلون على الطعام أينما وجدوا. عندما تعثر النملة على مصدر كبير للغذاء ، فإنها تمهد الطريق الكيميائي من المنزل إلى الغذاء ، والذي يمكن أن يتبعه أقاربه. تعتمد كثافة التدفق بشدة على عدد الأفراد في النمل ، ويمكن أن تصل إلى عدة مئات من النمل في الدقيقة. في هذه الحالة ، لا توجد اختناقات مرورية ، ولا حوادث وشركات تأمين للاتصال. يتحرك التيار باستمرار ، ويستمر النمل في أداء واجباته بفعالية (يحصل العمال على الطعام ، ويحرسهم الجنود).

يذكرنا الباحثون أنه في إنشاء الطرق ، يتم وصف العلاقة بين كثافة الأشخاص ( ك ) والتدفق ( q = vk ، أي كثافة أوقات السرعة) باستخدام المخططات الأساسية ( 1A ).


الصورة رقم 1

هناك اختلافات بين الرسوم البيانية لكثافة السرعة والرسوم البيانية لكثافة التدفق اعتمادًا على النظام قيد النظر ، ولكن بشكل أساسي تحتوي على ميزات شائعة.

أولاً ، يزداد التدفق q مع الكثافة k من الصفر إلى الحد الأقصى للقيمة ، ثم يتحلل إلى أن يعود إلى الصفر عند الحد الأقصى المسموح به لكثافة الهريس kj . منحنيات كثافة التدفق ، كقاعدة عامة ، لها شكل مقعر بقيمة مثلى من k في الطريقة التي يتحقق بها الحد الأقصى للتدفق أو الوفرة.

ثانياً ، ستكون سرعة الفرد الأقصى إذا تحرك بمفرده (سرعة التدفق الحر vf ) وتناقص مع زيادة الكثافة k . عندما تصل كثافة الهريس إلى v ( kj ) = 0 ، تنخفض السرعة إلى الصفر ، أي جميع المشاركين في الحركة تتوقف.

وقد تم تطبيق أساليب حساب مماثلة مرارا وتكرارا على النمل. على سبيل المثال ، في النمل المقطوع للنمل والنمل ، تقل سرعة الحركة مع زيادة الكثافة ، بينما في النمل الغابة والبدوية ، مع زيادة الكثافة ، تظل السرعة ثابتة.

كانت أعلى كثافة ، بالإضافة إلى العمالة المقدرة (جزء المساحة المغطاة بالنمل) المسجلة بواسطة النمل المقطوع بالأشجار ، والنمل الشجري والبدوي منخفضة نسبيًا: 0.8 / سم ² (التوظيف 0.20) ، 0.6 / سم ² (0.13) و 0.3 / سم ² (0.10). هذه المؤشرات ليست عالية بما يكفي لتشكيل الفلين ، حيث أن النمل لم يتجاوز أبدًا السعة الحدية لمسار الحركة ، فقد التزمت بالقيمة القصوى المسموح بها للتدفق والتي تتوافق مع عرض المسار.

في الدراسة التي ندرسها اليوم ، قرر العلماء التحقق مما إذا كان بإمكان النمل تجنب تكوين المقابس بقيم مختلفة من كثافة التدفق. الشخصيات الرئيسية كانت النمل من الأنواع ( Linepithema humile - النمل الأرجنتيني). هذا النوع هو واحد من الأنواع الأكثر انتشارا في الأسرة.

تم ربط مستعمرة النمل بموقع الطعام من خلال جسر ( 1B ) ، عرضه الذي تباين (5 ، 10 و 20 مم) ، والذي بدوره جعل من الممكن معالجة كثافة التدفق. شاركت العديد من المستعمرات بأعداد مختلفة في التجارب: من 400 إلى 25600 نمل. تم إجراء ما مجموعه 170 ملاحظة تجريبية ، تم خلالها تثبيت التدفق والكثافة في الثانية الواحدة. مكنت القدرة على تغيير عرض الجسر من المستعمرة إلى الغذاء من الحصول على مجموعة متنوعة من مؤشرات كثافة التدفق (من 0 إلى 18 نمل لكل سم ² ) والعمالة (من 0 إلى 0.8).

نتائج التجربة

قبل تحليل البيانات من جميع التجارب ال 170 ، تأكد العلماء من أن هذه البيانات لم يتم تشويهها. أولاً ، تبين أن عدد النمل الذي يدخل منطقة الغذاء لم يؤثر على سلوك التغذية. معظم النمل أكل مرة واحدة ، مما يلغي وجود ردود فعل سلبية ، والتي قد تكون راجعة إلى تركيز كبير من الأفراد في موقع التغذية. ثانياً ، سيطر العلماء على أن عرض الجسر لم يؤثر على سرعة النمل. في حالة عدم وجود تفاعلات ، وفي الحالات التي سافر فيها النمل بمفرده ، كانت سرعتها هي نفسها بغض النظر عن عرض الجسر.


الصورة رقم 2

كانت الخطوة الأولى هي دراسة حركات النمل على مستوى مجهري. تم تصوير تدفق q النمل تتحرك في كلا الاتجاهين كدالة للكثافة في الشكل 2A . زاد التدفق q مع الكثافة k إلى نقطة معينة ، ثم ظل ثابتًا.

يُظهر الرسم البياني 2B تحليلًا للعلاقة بين k و q ، يُجرى باستخدام ثلاث وظائف عيانية مختلفة لحركة النمل على طول طريق معين. تم اختيار جميع معلمات الوظيفة باستخدام طريقة المربعات الصغرى * .

طريقة المربعات الصغرى * هي طريقة رياضية تعتمد على تقليل مجموع الانحرافات التربيعية لبعض الوظائف عن المتغيرات المطلوبة.

بناءً على البيانات التجريبية ، تم إنشاء وظيفة تدفق ثنائية الطور لوصف نسبة q - k كدالة خطية تدريجية * مع تدفق متزايد خطيًا وبقيمة تدفق ثابتة في الوقت الذي يتم فيه الوصول إلى كثافة الهريس.

الوظيفة الخطية قطعة * هي دالة محددة على مجموعة من الأرقام الحقيقية ، خطية على كل فترة من الفواصل التي تشكل مجال التعريف.

وظيفة التدفق على مرحلتين هي كما يلي:

q (k) = kV إذا كانت k ≤ kj

و

q (k) = kjv إذا كانت k ﹥ kj

بعد ذلك ، تم اختيار نموذج إحصائي ، مما جعل من الممكن تعيين الاحتمالات الشرطية لجميع النماذج الإحصائية. مكنت كمية كبيرة من البيانات من الحصول على نتيجة لا لبس فيها - نموذج إحصائي على مرحلتين ( 2C ).

لذا ، فإن إجابة السؤال عن سبب عدم توقف النمل في اختناقات مرورية يمكن أن يكون تنظيم التدفق المكاني والزماني بكثافة عالية.

يُطلق على التيار تنظيمًا مكانيًا عندما لا يتقاطع كلا حارة النمل تمامًا ويفصل بينهما مسافة. يحدث التنظيم المؤقت عندما تحدث التغيرات التذبذبية في اتجاه الحركة ، والتي يصبح التدفق منها أحادي الاتجاه بشكل دوري ، أي اتجاه الحركة بالتناوب.

في كلتا الحالتين من تنظيم الحركة ، هناك قيود على الاتصالات بين النمل (الاصطدامات) ، والتي تسمح للنمل للحفاظ على تدفق دون انقطاع.

ومع ذلك ، في التجارب التي أجراها العلماء ، لم يلاحظ هذا النوع من المنظمات. عندما وصلت كثافة النمل إلى عتبة حرجة ، يتم خلط التدفقات الواردة والصادرة في الزمان والمكان ( 3A ).


الصورة رقم 3

بالإضافة إلى ذلك ، خلافًا لقوانين حركة المشاة ، فإن الاعتماد بين الكثافة k والتدفق q قد أثر بشكل طفيف على درجة عدم تناسق التدفقات ( 3B ). بمعنى أن التدفق لم يزداد بشكل أسرع بكثافة k عندما كانت الحركة أحادية الاتجاه بشكل أساسي مقارنةً بالوقت الذي كانت فيه ثنائية الاتجاه تمامًا.


يتحرك النمل على طول الجسر بسماكة 20 مم. يلتقط هذا الفيديو حركة النمل بعد 10 دقائق من تأسيس اتصال بين منطقة الموائل ومنطقة الغذاء.


يتحرك النمل على طول الجسر بسمك 5 ملم. يلتقط هذا الفيديو حركة النمل بعد 10 دقائق من تأسيس اتصال بين منطقة الموائل ومنطقة الغذاء.

بالنظر إلى الغموض في جوانب تنظيم التدفق ككل ، قرر الباحثون اتباع خطوات هرقل بوارو ، أي النظر بعناية في التفاصيل ، وهي سلوك النمل الفردي في التدفق.

من وجهة نظر السلوك الفردي ، تشير معظم وظائف التدفق المتحرك إلى أن السرعة الفردية ستنخفض بشكل غير خطي مع الكثافة بسبب "الاحتكاك" بين الأفراد.

ومع ذلك ، تفترض وظيفة حركة التدفق ثنائية الطور أن هذا الاحتكاك بين النمل لم يتم اكتشافه عندما كانت الكثافة أقل من 8 نمل لكل سم ² ، أي أن التدفق زاد خطياً. عندما كانت الكثافة أعلى من 8 ، نشأ احتكاك ، لكنه زاد خطيًا مع الكثافة ، أي بقي التدفق ثابتًا على نطاق واسع من الكثافة. لذلك ، من الضروري قياس وتحليل الاحتكاك الذي ينشأ بطريقة أو بأخرى.

أهم عامل يؤثر على سرعة نملة واحدة هو عدد جهات الاتصال (الاصطدامات) بأقاربها ، مما يجعلها تتوقف ، مما يقلل من سرعتها الإجمالية.

لتحديد ما إذا كان عدد جهات الاتصال يلعب دور المتغير الخفي لربط الكثافة والسرعة ، أجرى العلماء تجربة قاموا خلالها بقياس عدد جهات الاتصال C ، والكثافة k ، ووقت مرور T على الجسر بطول 2 سم ، وتم أخذ بيانات جميع النمل الفردي من مستعمرة 7900 فرد في الاعتبار.


الصورة رقم 4

مع زيادة الكثافة k ، زاد عدد جهات الاتصال C خطيًا ( C = 0.61 k ، 4A ) ، أي كلما زادت الكثافة ، لوحظت المزيد من الاتصالات. تم العثور أيضًا على تأثير خطي لعدد جهات الاتصال C على وقت السفر T - تباطأ كل جهة اتصال بالفعل في النمل ( N = T ₀ + C · ∆ T ، حيث T ₀ = 0.95 ثانية و = T = 0.24 ثانية ، 4 V ). يمثل المتغير T ₀ الوقت المستغرق لإكمال الجسر بدون جهات اتصال ، و ∆ T هو الوقت الضائع بسبب جهات الاتصال.

وكان الاستنتاج الوسيط هو أن الكثافة كان لها تأثير سلبي على معدل التدفق: زادت الكثافة عدد الاتصالات بين الأفراد ، والتي زادت ∆ T ، وبالتالي ، الوقت الذي استغرقته لتمرير الجسر. وهذا منطقي تمامًا ، ولكن خلال المرحلة رقم 1 ، كان الموقف أكثر إثارة للاهتمام.

في الرسم البياني للحركة ثنائية الطور ، لم يكن للكثافة k أي تأثير (أو لا عمليًا) على السرعة v . لذلك ، في هذه المرحلة يجب أن يكون هناك تأثير إيجابي للكثافة k على السرعة v . وبالتالي ، فإن الاتصال بين T و k و C هو أكثر بكثير غير قياسي.

لدمج العديد من التأثيرات ، تم تقدير وقت السفر المتوقع T اعتمادًا على الكثافة k وعدد جهات الاتصال C. بالنسبة لعدد جهات الاتصال التي أنشأها العلماء ، تم حساب متوسط ​​وقت العبور T ( 5A ) لقيم الكثافة المختلفة k .


الصورة رقم 5

تم تحديد المسافة العمودية بين المنحنيات المجاورة بقيمة ∆ T. كما هو متوقع ، زاد وقت العبور T بزيادة عدد جهات الاتصال C ، ولكن كانت هناك ملاحظة غريبة تتمثل في أن الكثافة k أدت في البداية إلى انخفاض وقت العبور T (إلى k ≈ 5).

لتأكيد هذا التأثير الإيجابي للكثافة ، تم تقدير سرعة التدفق الحر vf ، أي بدون أي جهات اتصال ( 5V ): vf = L / ( T - C · ∆ T ) ، حيث L = 2 سم (قسم الجسر الذي أجريت عليه الملاحظات).

يزيد مؤشر vf في البداية بكثافة تصل إلى 5 نمل لكل سم ² ، ثم يعود إلى قيمته الأصلية. تفسير هذه التقلبات لا يكمن في الرياضيات ، ولكن في البيولوجيا. يستخدم النمل الأرجنتيني الفيرومونات ، التي تحدد طريقها حتى لا تضيع وتُظهر الطريق لأقربائها للحصول على الطعام أو المنزل.

الجمع بين جميع الآثار معا ، اقترح العلماء صيغة خاصة بهم لسرعة حركة النمل:

v ( k ) = [ L / T ₀ + ∆ T · C ( k )] · (⍺ + β · k · e ^{- k · k} )

C ( k ) هو متوسط ​​عدد جهات الاتصال المساوي 0.61 k ؛
⍺ و β و γ - محاكاة تأثير فرمون: ⍺ - يتوافق مع الجاذبية الداخلية للجسر غير المميز بالفيرومونات ؛ β - يمثل تأثيرًا إيجابيًا k ؛ range هو النطاق الذي يمكن أن يحدث فيه تأثير الفيرومونات. تم تقدير هذه المعلمات الثلاثة باستخدام خوارزمية الانحدار غير الخطي: ⍺ = 0.812 ± 0.009 ، β = 0.160 ± 0.010 ، γ = 0.156 ± 0.007.


الصورة رقم 6

مع زيادة k ، لوحظ انخفاض في السرعة v ( 6A ). لديناميات السرعة هذه ، تم تخصيص الصيغة التالية لكامل التدفق:

ف ( ك ) = ك ف ( ك )

على الرسم البياني 6B ، يتم إنشاء تدفق متوقع q ، من أجل تقدير البيانات التي استخدمت من الملاحظات التجريبية ( N = 7900 الملاحظات). تم العثور على اتفاق واضح بين النموذج والبيانات التجريبية. تم تحقيق ثابت الوظيفة عند q ≈ 10 نمل لكل سم ² في الثانية.

على الرغم من حقيقة أنه كلما زادت الكثافة k ، ظهرت المزيد من الاتصالات التي زادت من وقت السفر T ، مما أثر سلبًا على التدفق q ، بكثافة أقل من 5 نمل لكل سم ^{2 ،} تحرك الأفراد بشكل أسرع ، مما أثر إيجابًا على التدفق.

هذان التأثيران متوازنان ، مما يؤدي إلى زيادة خطية في التدفق q مع الكثافة k (المرحلة 1). عندما كانت الكثافة أكثر من 8 نمل لكل سم ² ، على الرغم من التدفق الزائد للطريق (الجسر) ، حافظ النمل على تدفق ثابت q . استمرت السرعة v ( k ) في الانخفاض بسبب زيادة التلامس ، لكن تم تعويض هذا التأثير السلبي على التدفق q ( k ) بزيادة في k .

وبعبارة أخرى ، فإن التدفق في الرسم البياني 6B سيزيد بكثافة عالية ك . ومع ذلك ، من الناحية التجريبية ، يجب أن يتدفق التدفق في النهاية ، حيث لا يمكن زيادة احتلال النمل (شغل منطقة معينة) على الجسر إلى أجل غير مسمى.

بالنظر إلى أن مساحة الجسر التي لا يشغلها النمل تقلصت مع زيادة الكثافة ، فمن المستغرب أن يزداد عدد التلامس بشكل خطي مع الكثافة.

ملاحظة أكثر فضولية هي تعرض النمل. لقد قيدوا أنفسهم من مغادرة المستعمرة والذهاب إلى الطعام لتفادي فيضان الجسر. لذلك ، خلال الدراسة بأكملها ، لم تتجاوز الكثافة 18 نمل لكل سم ² ، على الرغم من حقيقة أن العلماء قاموا بزيادة عدد المستعمرات وخفضوا عرض الجسر. بالإضافة إلى ذلك ، نادراً ما تحول النمل الموجود على الجسر إلى 180 درجة (الاحتمال كان 0.01).

للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء .

خاتمة

, , , , . ( ), . , . , , . , , . , , . , , , . , , .

, — , , .




شكرا لكم على اهتمامكم ، ابقوا فضوليين واستمتعوا بعطلة نهاية أسبوع رائعة ، شباب! :)

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على خادم مستوى دخول تناظري فريد اخترعوه لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 دولارا أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا 2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولار اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟