Kollektive Bewegung: Wie Wissenschaftler Ant Corks studierten

Wie ich mich jetzt erinnere, haben Sie es an einem Wochentagmorgen eilig zu lernen. Sie nähern sich einer Haltestelle der öffentlichen Verkehrsmittel und sehen eine Menschenmenge, die in ihren Bewegungen einem Marsch von Pinguinen ähnelt. Sie sehen auf die Straße, auf der der Radfahrer neben seinem Fahrrad schneller fährt als die Autos. Sie verstehen, dass es hier nichts zu fangen gibt, Sie drehen sich um und gehen. Überall gibt es Staus: Auf den Straßen trainieren sie buddhistische Geduld mit Fahrern, und im öffentlichen Verkehr können Sie eine Yogastunde durchführen, ob Sie möchten oder nicht. Der Hauptgrund für Verzögerungen im Verkehr ist das Vorhandensein zu vieler Fahrzeuge oder Personen für einen bestimmten Verkehrsweg, die einen solchen Fluss nicht bewältigen können. Eine große Anzahl von Individuen kommt auch unter Wildtieren vor, und jede Art bekämpft Korken mit ihrer eigenen einzigartigen Methode. Ameisen werden zu Recht als eine der besten in Sachen Organisation und Zusammenarbeit bezeichnet. Diese kleinen Workaholics leben in vielen Tausenden und sogar in vielen Millionen Kolonien, erleben aber gleichzeitig keine „Freuden“ von Staus. Natürlich stellt sich die Frage - wie machen sie das? Wissenschaftler der University of Arizona (USA) und Toulouse (Frankreich) suchten nach der Antwort auf diese Frage. Wie genau bekämpfen Ameisen Staus und welche ihrer Methoden können auf uns angewendet werden und welche nicht? Dies erfahren wir aus dem Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.

Studienbasis

Ameisen waren laut Marx immer mit Workaholismus, Monarchie und der Klassenteilung der Gesellschaft verbunden. Die Ameisenfamilie hat ungefähr 14.000 Arten, die in allen Ecken des Planeten außer in der Antarktis leben. Wenn Sie alle Ameisen auf der Erde zählen, machen sie etwa 10-25% der Biomasse von Landtieren aus. Der Erfolg von Ameisen basiert auf ihrer Fähigkeit, sich an veränderte Umweltbedingungen und eine unglaubliche Organisation anzupassen.


Der Empire of Ants-Dokumentarfilm (BBC, David Attenborough, 2018).

Wenn man betrachtet, wie Ameisen ihre unglaublichen Kolonien bauen, sich in organisierten Reihen bewegen und scheinbar nie aufhören, scheint es, dass jeder von ihnen ein Teilchen eines einzelnen Organismus ist - ein kollektiver Geist. Deshalb lässt das Interesse der Wissenschaftler an diesen Insekten nicht nach.


Migration einer Herde Gnus.

Wenn wir über die Bewegung sprechen, nehmen viele Arten lebender Organismen in der einen oder anderen Form an der kollektiven Bewegung teil: Insektenkolonien, Fischschwärme, Herden wandernder Huftiere, Vogelschwärme usw. Meistens bewegen sich die meisten Individuen entlang eines Pfades (Vektors), aber entlang ihrer einzigartigen Flugbahn, was die Koordination sowohl dieses Individuums als auch des gesamten Stroms als Ganzes erleichtert. Probleme beginnen, wenn sich einige in eine Richtung bewegen, während andere sich auf sie zubewegen. In diesem Fall sind Kollisionen äußerst schwer zu vermeiden. Aber eine solche Situation ist in der Tierwelt nicht so weit verbreitet, wie es auf den ersten Blick scheinen mag. Denken Sie daran, wie eine Gnuherde aussieht, die während der Migrationsperiode über das Feld läuft. Ihr Fluss bewegt sich in eine Richtung, die allen Individuen gemeinsam ist, eine Art Einbahnstraße. Der Mensch ist einer der wenigen Organismen, die sich gemeinsam in beide Richtungen gleichzeitig bewegen können, d. H. auf einer Einbahnstraße. Ameisen sind auch zu diesem Trick fähig, der für uns ziemlich alltäglich erscheint, aber für kollektive Organismen als sehr einzigartig gilt.


Blattschneider bauen Farmen, in denen sie Pilze auf einem Substrat aus gekauten Blättern züchten.

Ameisen müssen viel reisen, da sie an einem Punkt (Ameisenhaufen) leben und dort Nahrung bekommen, wo sie sie finden. Wenn eine Ameise eine große Nahrungsquelle findet, ebnet sie den chemischen Weg von zu Hause zur Nahrung, dem ihre Verwandten folgen können. Die Flussdichte hängt stark von der Anzahl der Individuen im Ameisenhaufen ab und kann mehrere hundert Ameisen pro Minute erreichen. In diesem Fall keine Staus, keine Unfälle und Anrufversicherer. Der Strom bewegt sich ununterbrochen und die Ameisen erfüllen ihre Aufgaben weiterhin effektiv (Arbeiter bekommen Nahrung und Soldaten bewachen sie).

Die Forscher erinnern uns daran, dass im Straßenbau die Beziehung zwischen der Dichte von Menschen ( k ) und dem Fluss ( q = vk , d. H. Geschwindigkeit mal Dichte) häufig anhand grundlegender Diagramme ( 1A ) beschrieben wird.


Bild Nr. 1

Abhängig vom betrachteten System gibt es Unterschiede zwischen den Geschwindigkeitsdichtediagrammen und den Flussdichtediagrammen, aber grundsätzlich haben sie gemeinsame Merkmale.

Zunächst steigt der Durchfluss q mit der Dichte k von Null auf den Maximalwert und fällt dann ab, bis er bei der sogenannten maximalen Maischedichte kj auf Null zurückkehrt. Die Flussdichtekurven haben in der Regel eine konkave Form mit einem optimalen Wert von k in der Art und Weise, wie der maximale Fluss oder die maximale Häufigkeit erreicht wird.

Zweitens ist die Geschwindigkeit des Individuums maximal, wenn es sich alleine bewegt (freie Strömungsgeschwindigkeit vf ) und mit zunehmender Dichte k abnimmt. Wenn die Maischedichte v ( kj ) = 0 erreicht, fällt die Geschwindigkeit auf Null, d.h. Alle Teilnehmer der Bewegung hören auf.

Ähnliche Berechnungsmethoden wurden wiederholt auf Ameisen angewendet. Beispielsweise nimmt bei Blattschneiderameisen und Feuerameisen die Bewegungsgeschwindigkeit mit zunehmender Dichte ab, während bei Wald- und Nomadenameisen mit zunehmender Dichte die Geschwindigkeit konstant bleibt.

Die höchste Dichte sowie die geschätzte Beschäftigung (der Anteil der von Ameisen bedeckten Fläche) an Blattschneiderameisen, Baum- und Nomadenameisen waren relativ gering: 0,8 / cm ² (Beschäftigung 0,20), 0,6 / cm ² (0,13) und 0,3 / cm ² (0,10). Solche Indikatoren sind nicht hoch genug, um einen Korken zu bilden, da die Ameisen die Grenzkapazität des Bewegungspfades nie überschritten haben, hielten sie sich an den maximal zulässigen Durchflusswert, der der Breite des Pfades entspricht.

In der Studie, die wir heute betrachten, haben Wissenschaftler beschlossen zu prüfen, ob Ameisen die Bildung von Stopfen bei unterschiedlichen Werten der Flussdichte vermeiden können. Die Hauptfiguren waren Ameisen der Art ( Linepithema humile - Argentinische Ameisen). Diese Art ist eine der zahlreichsten und am weitesten verbreiteten in der Familie.

Eine Ameisenkolonie war über eine Brücke ( 1B ), deren Breite variierte (5, 10 und 20 mm), mit dem Ort der Nahrung verbunden, was es wiederum ermöglichte, die Fließdichte zu manipulieren. An den Experimenten nahmen mehrere Kolonien unterschiedlicher Anzahl teil: 400 bis 25.600 Ameisen. Insgesamt wurden 170 experimentelle Beobachtungen durchgeführt, bei denen Fluss und Dichte pro Sekunde festgelegt wurden. Die Möglichkeit, die Breite der Brücke von der Kolonie zum Futter zu ändern, ermöglichte es, eine Vielzahl von Indikatoren für die Flussdichte (von 0 bis 18 Ameisen pro cm ² ) und die Beschäftigung (von 0 bis 0,8) zu erhalten.

Versuchsergebnisse

Vor der Analyse der Daten aus allen 170 Experimenten stellten die Wissenschaftler sicher, dass diese Daten nicht verzerrt wurden. Zunächst wurde festgestellt, dass die Anzahl der Ameisen, die in die Futterzone gelangen, das Fütterungsverhalten nicht beeinflusst. Die meisten Ameisen aßen einmal, wodurch negative Rückkopplungen vermieden wurden, die auf die große Konzentration von Individuen an der Fütterungsstelle zurückzuführen sein könnten. Zweitens kontrollierten Wissenschaftler, dass die Breite der Brücke die Geschwindigkeit der Ameisen nicht beeinflusste. In Abwesenheit von Wechselwirkungen und in Fällen, in denen die Ameisen alleine reisten, war ihre Geschwindigkeit unabhängig von der Breite der Brücke gleich.


Bild Nr. 2

Der erste Schritt bestand darin, die Bewegungen von Ameisen auf makroskopischer Ebene zu untersuchen. Ein Fluss von q Ameisen, die sich in beide Richtungen bewegen, wurde in Fig. 2A als Funktion der Dichte dargestellt. Der Fluss q stieg mit einer Dichte k bis zu einem bestimmten Punkt an und blieb dann konstant.

Grafik 2B zeigt eine Analyse der Beziehung zwischen k und q , die unter Verwendung von drei verschiedenen makroskopischen Funktionen der Bewegung von Ameisen entlang einer gegebenen Route durchgeführt wurde. Alle Funktionsparameter wurden mit der Methode der kleinsten Quadrate * ausgewählt .

Die Methode der kleinsten Quadrate * ist eine mathematische Methode, die auf der Minimierung der Summe der quadratischen Abweichungen einiger Funktionen von den gewünschten Variablen basiert.

Basierend auf den experimentellen Daten wurde eine Zweiphasenströmungsfunktion erstellt, um das q - k- Verhältnis als stückweise lineare Funktion * mit linear ansteigender Strömung und mit einem konstanten Strömungswert zum Zeitpunkt des Erreichens der Maischedichte zu beschreiben.

Eine stückweise lineare Funktion * ist eine Funktion, die für eine Reihe von reellen Zahlen definiert ist und für jedes der Intervalle, aus denen sich der Definitionsbereich zusammensetzt, linear ist.

Die Zweiphasenströmungsfunktion ist wie folgt:

q (k) = kV, wenn k ≤ kj ist

und

q (k) = kjv wenn k ﹥ kj

Als nächstes wurde ein statistisches Modell ausgewählt, das es ermöglichte, bedingte Wahrscheinlichkeiten für alle statistischen Modelle zuzuweisen. Eine große Datenmenge ermöglichte es, ein eindeutiges Ergebnis zu erzielen - ein zweiphasiges statistisches Modell ( 2C ).

Die Antwort auf die Frage, warum Ameisen nicht im Stau stecken bleiben, kann also eine räumlich-zeitliche Flussorganisation mit hoher Dichte sein.

Ein Strom wird als räumlich organisiert bezeichnet, wenn sich beide Ameisenspuren nicht vollständig schneiden und räumlich getrennt sind. Temporäre Organisation tritt auf, wenn oszillierende Änderungen in der Bewegungsrichtung auftreten, aus denen der Fluss periodisch unidirektional wird, d.h. Die Bewegungsrichtung wechselt.

In beiden Fällen der Bewegungsorganisation gibt es eine Einschränkung der Kontakte zwischen Ameisen (Kollisionen), wodurch Ameisen einen ununterbrochenen Fluss aufrechterhalten können.

In den von Wissenschaftlern durchgeführten Experimenten wurden diese Arten von Organisationen jedoch nicht beobachtet. Wenn die Ameisendichte einen kritischen Schwellenwert erreicht hat, mischen sich die ein- und ausgehenden Ströme zeitlich und räumlich ( 3A ).


Bild Nr. 3

Zusätzlich beeinflusste die Abhängigkeit zwischen der Dichte k und der Strömung q entgegen den Gesetzen des Fußgängerverkehrs den Grad der Asymmetrie der Strömungen nur geringfügig ( 3B ). Das heißt, der Fluss stieg mit einer Dichte k nicht schneller an, wenn die Bewegung hauptsächlich unidirektional war, als wenn sie vollständig bidirektional war.


Ameisen bewegen sich entlang einer 20 mm dicken Brücke. Dieses Video zeigt die Bewegung von Ameisen 10 Minuten nach dem Herstellen einer Verbindung zwischen der Lebensraumzone und der Nahrungszone.


Ameisen bewegen sich entlang einer 5 mm dicken Brücke. Dieses Video zeigt die Bewegung von Ameisen 10 Minuten nach dem Herstellen einer Verbindung zwischen der Lebensraumzone und der Nahrungszone.

Angesichts der Unklarheit in den Aspekten der Organisation des Flusses als Ganzes beschlossen die Forscher, in die Fußstapfen von Hercule Poirot zu treten, dh die Details, nämlich das Verhalten einzelner Ameisen im Fluss, sorgfältig zu berücksichtigen.

Unter dem Gesichtspunkt des individuellen Verhaltens legen die meisten Funktionen eines sich bewegenden Flusses nahe, dass die individuelle Geschwindigkeit aufgrund der „Reibung“ zwischen Individuen nicht linear mit der Dichte abnimmt.

Die Zweiphasenströmungsbewegungsfunktion nimmt jedoch an, dass eine solche Reibung zwischen Ameisen nicht erfasst wurde, wenn die Dichte unter 8 Ameisen pro cm² lag, d. H. Die Strömung linear anstieg. Wenn die Dichte höher als 8 war, trat Reibung auf, nahm jedoch linear mit der Dichte zu, d.h. Die Strömung blieb über einen weiten Dichtebereich konstant. Daher ist es notwendig, die entstehende Reibung irgendwie zu messen und zu analysieren.

Der wichtigste Faktor, der die Geschwindigkeit einer einzelnen Ameise beeinflusst, ist die Anzahl der Kontakte (Kollisionen) mit ihren Verwandten, die sie zum Stoppen bringen und dadurch ihre Gesamtgeschwindigkeit verringern.

Um festzustellen, ob die Anzahl der Kontakte die Rolle einer verborgenen variablen Verbindungsdichte und -geschwindigkeit spielt, führten die Wissenschaftler ein Experiment durch, bei dem sie die Anzahl der Kontakte C , die Dichte k und die Durchlaufzeit T einer 2 cm langen Brücke maßen. Die Daten aller einzelnen Ameisen aus einer Kolonie von 7900 Personen wurden berücksichtigt.


Bild Nr. 4

Mit zunehmender Dichte k nahm die Anzahl der Kontakte C linear zu ( C = 0,61 k , 4A ), d.h. Je höher die Dichte, desto mehr Kontakte wurden beobachtet. Es wurde auch ein linearer Effekt der Anzahl der Kontakte C auf die Laufzeit T gefunden - jeder Kontakt verlangsamte die Ameisen wirklich ( N = T ₀ + C · ∆ T , wobei T ₀ = 0,95 s und ∆ T = 0,24 s, 4 V ). Die Variable T ₀ repräsentiert die Zeit, die benötigt wird, um die Brücke ohne Kontakte fertigzustellen, und ∆ T ist die Zeit, die aufgrund der Kontakte verloren geht.

Die Zwischenschlussfolgerung war, dass sich die Dichte negativ auf die Durchflussrate auswirkte: Die Dichte erhöhte die Anzahl der Kontakte zwischen Individuen, was ∆ T und folglich die Zeit erhöhte, die zum Passieren der Brücke benötigt wurde. Und das ist ziemlich logisch, aber in Phase Nr. 1 war die Situation etwas interessanter.

In dem Diagramm der Zweiphasenbewegung hatte die Dichte k keinen Einfluss (oder praktisch keinen) auf die Geschwindigkeit v . Daher sollte in dieser Phase ein positiver Einfluss der Dichte k auf die Geschwindigkeit v vorliegen . Somit ist die Verbindung zwischen T , k und C viel unüblicher.

Um mehrere Effekte zu kombinieren, wurde die erwartete Laufzeit T in Abhängigkeit von der Dichte k und der Anzahl der Kontakte C geschätzt . Für die Anzahl der von Wissenschaftlern hergestellten Kontakte C wurde die durchschnittliche Laufzeit T ( 5A ) für verschiedene Dichtewerte k berechnet.


Bild Nr. 5

Der vertikale Abstand zwischen benachbarten Kurven wurde durch den Wert von ∆ T bestimmt. Wie erwartet nahm die Laufzeit T mit zunehmender Anzahl der Kontakte C zu , aber eine merkwürdige Beobachtung war, dass anfänglich die Dichte k tatsächlich zu einer Verringerung der Laufzeit T führte (auf k ≤ 5).

Um diesen positiven Dichteeffekt weiter zu bestätigen, wurde die Geschwindigkeit vf des freien Stroms geschätzt, d.h. ohne Kontakte ( 5 V ): vf = L / ( T - C · ∆ T ), wobei L = 2 cm (der Abschnitt der Brücke, auf dem die Beobachtungen gemacht wurden).

Der vf- Index steigt zunächst mit einer Dichte von bis zu 5 Ameisen pro cm ² an und kehrt dann zu seinem ursprünglichen Wert zurück. Die Erklärung solcher Schwankungen liegt nicht in der Mathematik, sondern in der Biologie. Argentinische Ameisen verwenden Pheromone, die ihren Weg markieren, um nicht verloren zu gehen und ihren Verwandten den Weg zum Essen oder nach Hause zu weisen.

Die Wissenschaftler kombinierten alle Effekte und schlugen eine eigene Formel für die Bewegungsgeschwindigkeit von Ameisen vor:

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

C ( k ) ist die durchschnittliche Anzahl von Kontakten gleich 0,61 k ;
⍺, β und γ - simulieren den Pheromoneffekt: ⍺ - entspricht der inneren Attraktivität einer Brücke, die nicht mit Pheromonen markiert ist; β - stellt einen positiven Effekt k dar ; γ ist der Bereich, in dem die Wirkung von Pheromonen auftreten kann. Diese drei Parameter wurden unter Verwendung des nichtlinearen Regressionsalgorithmus geschätzt: ⍺ = 0,812 ± 0,009, β = 0,160 ± 0,010, γ = 0,156 ± 0,007.


Bild Nr. 6

Mit einer Zunahme von k wurde eine Abnahme der Geschwindigkeit v ( 6A ) beobachtet. Für diese Geschwindigkeitsdynamik wurde die folgende Formel für den gesamten Durchfluss zugeordnet:

q ( k ) = kv ( k )

In Grafik 6B wird ein vorhergesagter Fluss q konstruiert, für dessen Schätzung die Daten experimenteller Beobachtungen verwendet wurden ( N = 7900 Beobachtungen). Es wurde eine klare Übereinstimmung zwischen dem Modell und den experimentellen Daten gefunden. Die Funktionskonstante wurde bei q ≤ 10 Ameisen pro cm ² pro Sekunde erreicht.

Trotz der Tatsache, dass mit zunehmender Dichte k mehr Kontakte auftraten, die die Laufzeit T erhöhten, was den Fluss q negativ beeinflusste, bewegten sich Individuen bei einer Dichte von <5 Ameisen pro cm ² schneller, was den Fluss positiv beeinflusste.

Diese beiden Effekte sind ausgeglichen, was zu einem linearen Anstieg des Flusses q mit der Dichte k (Phase 1) führt. Wenn die Dichte trotz des Überlaufs der Route (Brücke) mehr als 8 Ameisen pro cm ² betrug, behielten die Ameisen einen konstanten Fluss q bei . Die Geschwindigkeit v ( k ) nahm aufgrund einer Zunahme der Kontakte weiter ab, aber dieser negative Effekt auf den Fluss q ( k ) wurde durch eine Zunahme von k kompensiert.

Mit anderen Worten, der Fluss in Graph 6B wird bei hohen Dichten k zunehmen. Experimentell müsste der Fluss jedoch letztendlich abnehmen, da die Besetzung (Belegung eines bestimmten Bereichs) von Ameisen auf der Brücke nicht unbegrenzt zunehmen kann.

Angesichts der Tatsache, dass die von Ameisen nicht besetzte Fläche der Brücke mit zunehmender Dichte abnahm, ist es überraschend, dass die Anzahl der Kontakte ausschließlich linear mit der Dichte zunahm.

Eine noch merkwürdigere Beobachtung ist die Exposition von Ameisen. Sie hielten sich zurück, die Kolonie zu verlassen und zum Essen zu gehen, um ein Überlaufen der Brücke zu vermeiden. Während der gesamten Studie überschritt die Dichte 18 Ameisen pro cm ^{2 nicht} , obwohl die Wissenschaftler die Anzahl der Kolonien erhöhten und die Breite der Brücke verringerten. Außerdem drehten sich Ameisen, die sich bereits auf der Brücke befanden, selten um 180 ° (die Wahrscheinlichkeit betrug 0,01).

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern zu lesen .

Nachwort

Natürlich sind Menschen und Ameisen trotz der sozialen Natur beider sehr unterschiedlich. Staus in der Welt der Menschen entstehen aus Menschen (zu Fuß oder mit dem Auto), die es in ihrem Geschäft eilig haben. Während Ameisen aus einer Kolonie immer ein gemeinsames Ziel haben. Darüber hinaus sind äußere Faktoren, die Ameisen sehr effektiv vermeiden können, eine sehr häufige Ursache für das Verkorken. Ganz zu schweigen von der Tatsache, dass sie immer eine Spur von Pheromonen hinterlassen, was die Suche nach einem Weg für ihre Verwandten erleichtert. Es ist auch erwähnenswert, dass Ameisen im Gegensatz zu uns keine besondere Angst vor Kollisionen miteinander haben.Und sie sind bereit, in der Kolonie zu bleiben, um keinen Stau zu verursachen, wodurch nicht persönliche Ziele, sondern die Bedürfnisse der Kolonie an erster Stelle stehen. Dies ist leider auch für Menschen äußerst selten.

Die Art und Weise, wie Ameisen mit Staus umgehen, ist ein großartiges Beispiel für ihre unglaubliche Organisation - das biologische Merkmal, mit dem die Evolution sie ausgestattet hat und das sie zu einem der erfolgreichsten lebenden Organismen auf dem Planeten macht.




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