Gerakan Kolektif: Bagaimana Para Ilmuwan Semut Gabus Belajar

Seperti yang saya ingat sekarang, pagi hari kerja, Anda terburu-buru untuk belajar. Anda mendekati halte angkutan umum, melihat kerumunan orang yang menyerupai pawai penguin dalam gerakan mereka. Anda melihat jalan di mana pengendara sepeda pergi di sebelah sepedanya lebih cepat daripada mobil bergerak. Anda mengerti bahwa tidak ada yang bisa ditangkap di sini, Anda berbalik dan berjalan. Ada kemacetan lalu lintas di mana-mana: di jalan mereka melatih kesabaran umat Buddha dengan pengemudi, dan di angkutan umum mereka memungkinkan Anda untuk melakukan pelajaran yoga, suka atau tidak. Alasan utama untuk keterlambatan lalu lintas adalah keberadaan terlalu banyak kendaraan atau orang untuk jalur lalu lintas tertentu yang tidak dapat mengatasi aliran seperti itu. Sejumlah besar individu juga muncul di antara satwa liar, dan setiap spesies berkelahi dengan gabus dengan metode uniknya sendiri. Semut disebut sebagai salah satu yang terbaik dalam hal organisasi dan kerja sama. Pecandu kerja kecil ini hidup dalam ribuan, dan bahkan dalam jutaan koloni, tetapi pada saat yang sama tidak mengalami "kesenangan" dari kemacetan lalu lintas. Secara alami, muncul pertanyaan - bagaimana mereka melakukannya? Ilmuwan dari Universitas Arizona (AS) dan Toulouse (Prancis) mencari jawaban untuk pertanyaan ini. Bagaimana tepatnya semut memerangi kemacetan lalu lintas dan metode mana yang dapat diterapkan pada kita, dan mana yang tidak? Kami belajar tentang ini dari laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.

Dasar studi

Semut selalu dikaitkan dengan workaholism, monarki dan pembagian kelas masyarakat menurut Marx. Keluarga semut memiliki sekitar 14.000 spesies yang hidup di semua penjuru planet ini, kecuali Antartika. Jika kita menghitung semua semut di Bumi, mereka akan membentuk sekitar 10-25% dari biomassa hewan darat. Keberhasilan semut didasarkan pada kemampuan mereka untuk beradaptasi dengan perubahan kondisi lingkungan dan organisasi yang luar biasa.


Dokumenter The Empire of Ants (BBC, David Attenborough, 2018).

Melihat bagaimana semut membangun koloni mereka yang luar biasa, bergerak dalam barisan yang teratur dan tampaknya tidak pernah berhenti, orang mendapat kesan bahwa masing-masing dari mereka adalah partikel dari organisme tunggal - pikiran kolektif. Itulah mengapa minat pada serangga ini oleh para ilmuwan tidak pudar.


Migrasi kawanan rusa kutub.

Jika kita berbicara tentang gerakan itu, maka banyak jenis organisme hidup dalam satu atau lain bentuk ambil bagian dalam gerakan kolektif: koloni serangga, sekumpulan ikan, kawanan ungulasi migrasi, kawanan burung, dll. Paling sering, sebagian besar individu bergerak sepanjang satu jalur (vektor), tetapi sepanjang lintasan unik mereka, yang memfasilitasi koordinasi baik individu ini dan seluruh aliran secara keseluruhan. Masalah mulai jika beberapa bergerak dalam satu arah, sementara yang lain bergerak ke arah mereka. Dalam hal ini, tabrakan sangat sulit untuk dihindari. Tetapi situasi seperti itu tidak seluas di dunia hewan seperti yang terlihat pada pandangan pertama. Ingat seperti apa gerombolan rusa kutub, berlari melintasi lapangan selama periode migrasi. Alur mereka bergerak dalam satu arah yang umum bagi semua individu, semacam jalan satu arah. Manusia adalah salah satu dari sedikit organisme yang secara kolektif dapat bergerak ke dua arah secara bersamaan, yaitu di jalan dua arah. Semut juga mampu melakukan trik ini, yang bagi kami tampaknya lumrah, tetapi bagi organisme kolektif itu dianggap sangat unik.


Pemotong daun membangun pertanian tempat mereka menanam jamur di atas substrat daun yang dikunyah.

Semut harus sering bepergian, karena mereka hidup di satu titik (sarang semut), dan mereka mendapatkan makanan di mana mereka menemukannya. Ketika seekor semut menemukan sumber makanan yang besar, ia membuka jalan kimia dari rumah ke makanan, yang dapat diikuti oleh kerabatnya. Kepadatan fluks sangat tergantung pada jumlah individu di sarang semut, dan dapat mencapai beberapa ratus semut per menit. Dalam hal ini, tidak ada kemacetan lalu lintas, tidak ada kecelakaan dan perusahaan asuransi panggilan. Sungai bergerak terus menerus, dan semut terus menjalankan tugasnya secara efektif (pekerja mendapatkan makanan, dan tentara menjaga mereka).

Para peneliti mengingatkan kita bahwa dalam konstruksi jalan, hubungan antara kepadatan orang ( k ) dan aliran ( q = vk , yaitu kecepatan kali kepadatan) sering digambarkan menggunakan diagram fundamental ( 1A ).


Gambar No. 1

Ada perbedaan antara diagram kecepatan-kepadatan dan diagram aliran-kepadatan tergantung pada sistem yang dipertimbangkan, tetapi pada dasarnya mereka memiliki fitur umum.

Pertama, aliran q meningkat dengan kerapatan k dari nol ke nilai maksimum, dan kemudian meluruh hingga kembali ke nol pada apa yang disebut kerapatan tumbuk maksimum kj . Kurva kerapatan fluks, sebagai suatu peraturan, memiliki bentuk cekung dengan nilai optimal k dalam cara di mana fluks atau kelimpahan maksimum dicapai.

Kedua, kecepatan individu akan maksimal jika ia bergerak sendiri (kecepatan aliran bebas vf ) dan menurun dengan meningkatnya kepadatan k . Ketika kepadatan tumbuk mencapai v ( kj ) = 0, kecepatan turun ke nol, yaitu semua peserta dalam gerakan berhenti.

Metode perhitungan serupa telah berulang kali diterapkan pada semut. Misalnya, dalam semut pemotong daun dan semut api, kecepatan gerakan menurun dengan meningkatnya kepadatan, sementara di hutan dan semut nomad, dengan meningkatnya kepadatan, kecepatan tetap konstan.

Kepadatan tertinggi, serta perkiraan pekerjaan (fraksi area yang ditutupi semut) yang dicatat oleh semut pemotong daun, semut pohon dan nomad relatif rendah: 0,8 / cm ² (lapangan kerja 0,20), 0,6 / cm ² (0,13) dan 0,3 / cm ² (0.10). Indikator seperti itu tidak cukup tinggi untuk membentuk gabus, karena semut tidak pernah melebihi batas daya dukung lintasan pergerakan, mereka mematuhi nilai aliran maksimum yang diijinkan sesuai dengan lebar lintasan.

Dalam penelitian yang kami pertimbangkan hari ini, para ilmuwan memutuskan untuk memeriksa apakah semut dapat menghindari pembentukan sumbat pada nilai kerapatan fluks yang berbeda. Karakter utama adalah semut spesies ( Linepithema humile - semut Argentina). Spesies ini adalah salah satu yang paling banyak dan tersebar luas di keluarga.

Sebuah koloni semut terhubung ke lokasi makanan melalui jembatan ( 1B ), yang lebarnya bervariasi (5, 10 dan 20 mm), yang pada gilirannya memungkinkan untuk memanipulasi kepadatan aliran. Beberapa koloni dengan jumlah berbeda ikut serta dalam percobaan: dari 400 hingga 25.600 semut. Sebanyak 170 pengamatan eksperimental dilakukan, di mana aliran per detik dan kepadatan ditetapkan. Kemampuan untuk mengubah lebar jembatan dari koloni ke makanan memungkinkan untuk memperoleh berbagai indikator kepadatan fluks (dari 0 hingga 18 semut per cm ² ) dan pekerjaan (dari 0 hingga 0,8).

Hasil Eksperimen

Sebelum menganalisis data dari 170 percobaan, para ilmuwan memastikan bahwa data ini tidak terdistorsi. Pertama, ditemukan bahwa jumlah semut yang memasuki zona makanan tidak mempengaruhi perilaku makan. Kebanyakan semut makan sekali, yang menghilangkan kehadiran umpan balik negatif, yang bisa jadi karena konsentrasi besar individu di tempat makan. Kedua, para ilmuwan mengontrol bahwa lebar jembatan tidak mempengaruhi kecepatan semut. Dengan tidak adanya interaksi, dan dalam kasus di mana semut melakukan perjalanan sendiri, kecepatan mereka sama terlepas dari lebar jembatan.


Gambar No. 2

Langkah pertama adalah mempelajari pergerakan semut pada tingkat makroskopis. Aliran semut q bergerak di kedua arah digambarkan sebagai fungsi kepadatan pada Gambar 2A . Fluks q meningkat dengan kerapatan k ke titik tertentu, dan kemudian tetap konstan.

Grafik 2B menunjukkan analisis hubungan antara k dan q , dilakukan dengan menggunakan tiga fungsi makroskopis yang berbeda dari pergerakan semut di sepanjang rute yang diberikan. Semua parameter fungsi dipilih menggunakan metode kuadrat terkecil * .

Metode kuadrat terkecil * adalah metode matematika yang didasarkan pada meminimalkan jumlah deviasi kuadrat dari beberapa fungsi dari variabel yang diinginkan.

Berdasarkan data eksperimental, fungsi aliran dua fase dibuat untuk menggambarkan rasio q - k sebagai fungsi piecewise-linear * dengan aliran yang meningkat secara linier dan dengan nilai aliran konstan pada saat kepadatan tumbuk tercapai.

Fungsi linier piecewise * adalah fungsi yang didefinisikan pada sekumpulan bilangan real, linier pada setiap interval yang membentuk domain definisi.

Fungsi aliran dua fase adalah sebagai berikut:

q (k) = kV jika k ≤ kj

dan

q (k) = kjv jika k ﹥ kj

Selanjutnya, model statistik dipilih, yang memungkinkan untuk menetapkan probabilitas bersyarat untuk semua model statistik. Sejumlah besar data memungkinkan untuk mendapatkan hasil yang tidak ambigu - model statistik dua fase ( 2C ).

Jadi, jawaban atas pertanyaan mengapa semut tidak terjebak dalam kemacetan lalu lintas adalah organisasi aliran spatio-temporal dengan kepadatan tinggi.

Aliran disebut terorganisir secara spasial ketika kedua jalur semut tidak saling berpotongan dan dipisahkan dalam ruang. Organisasi sementara terjadi ketika perubahan osilasi terjadi dalam arah gerakan, dari mana aliran secara berkala menjadi searah, yaitu. arah gerakan berganti.

Dalam kedua kasus organisasi pergerakan, ada pembatasan kontak antara semut (tabrakan), yang memungkinkan semut untuk mempertahankan aliran yang tidak terputus.

Namun, dalam percobaan yang dilakukan oleh para ilmuwan, jenis organisasi ini tidak diamati. Ketika kepadatan semut mencapai ambang kritis, arus masuk dan keluar bercampur dalam ruang dan waktu ( 3A ).


Gambar No. 3

Selain itu, bertentangan dengan hukum lalu lintas pejalan kaki, ketergantungan antara kepadatan k dan aliran q hanya sedikit memengaruhi tingkat asimetri aliran ( 3B ). Artinya, aliran tidak meningkat lebih cepat dengan kerapatan k ketika gerakan itu terutama searah daripada ketika itu sepenuhnya bidirectional.


Semut bergerak di sepanjang jembatan setebal 20 mm. Video ini menangkap pergerakan semut 10 menit setelah membangun hubungan antara zona habitat dan zona makanan.


Semut bergerak di sepanjang jembatan setebal 5 mm. Video ini menangkap pergerakan semut 10 menit setelah membangun hubungan antara zona habitat dan zona makanan.

Mengingat ambiguitas dalam aspek pengorganisasian aliran secara keseluruhan, para peneliti memutuskan untuk mengikuti jejak Hercule Poirot, yaitu mempertimbangkan dengan cermat rinciannya, yaitu perilaku masing-masing semut dalam aliran.

Dari sudut pandang perilaku individu, sebagian besar fungsi dari aliran bergerak menunjukkan bahwa kecepatan individu akan menurun secara non-linear dengan kepadatan karena "gesekan" antara individu.

Namun, fungsi gerakan aliran dua fase mengasumsikan bahwa gesekan antara semut tidak terdeteksi ketika kepadatannya di bawah 8 semut per cm ² , yaitu, aliran meningkat secara linear. Ketika densitas lebih tinggi dari 8, gesekan muncul, tetapi meningkat secara linear dengan densitas, mis. aliran tetap konstan pada rentang kepadatan yang luas. Oleh karena itu, perlu untuk mengukur dan menganalisis gesekan yang muncul.

Faktor terpenting yang mempengaruhi kecepatan seekor semut adalah jumlah kontak (benturan) dengan kerabatnya, yang membuatnya berhenti, sehingga mengurangi kecepatan keseluruhannya.

Untuk menentukan apakah jumlah kontak berperan sebagai variabel tersembunyi yang menghubungkan kerapatan dan kecepatan, para ilmuwan melakukan percobaan di mana mereka mengukur jumlah kontak C , kerapatan k dan waktu transit T dari jembatan sepanjang 2 cm. Data semua semut individu dari koloni 7900 individu diperhitungkan.


Gambar No. 4

Ketika kepadatan k meningkat, jumlah kontak C meningkat secara linear ( C = 0,61 k , 4A ), yaitu semakin tinggi kepadatannya, semakin banyak kontak yang diamati. Efek linear dari jumlah kontak C pada waktu tempuh T juga ditemukan - setiap kontak benar-benar memperlambat semut ( N = T ₀ + C · ∆ T , di mana T ₀ = 0,95 s dan ∆ T = 0,24 s, 4 V ). Variabel T ₀ mewakili waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan jembatan tanpa kontak, dan ∆ T adalah waktu yang hilang karena kontak.

Kesimpulan antara adalah bahwa kepadatan memiliki efek negatif pada laju aliran: kepadatan meningkatkan jumlah kontak antara individu, yang meningkat ∆ T dan, akibatnya, waktu yang dibutuhkan untuk melewati jembatan. Dan ini cukup logis, namun, selama fase No. 1, situasinya sedikit lebih menarik.

Dalam diagram gerak dua fase, kerapatan k tidak memiliki efek (atau praktis tidak) pada kecepatan v . Oleh karena itu, dalam fase ini harus ada pengaruh positif dari kerapatan k pada kecepatan v . Dengan demikian, hubungan antara T , k dan C jauh lebih non-standar.

Untuk menggabungkan beberapa efek, perkiraan waktu tempuh T diperkirakan tergantung pada kepadatan k dan jumlah kontak C. Untuk jumlah kontak C yang dibuat oleh para ilmuwan, rata-rata waktu transit T ( 5A ) dihitung untuk nilai kepadatan yang berbeda k .


Gambar No. 5

Jarak vertikal antara kurva yang berdekatan ditentukan oleh nilai ∆ T. Seperti yang diharapkan, waktu transit T meningkat dengan peningkatan jumlah kontak C , tetapi pengamatan yang aneh adalah bahwa awalnya kepadatan k benar-benar menyebabkan penurunan waktu transit T (ke k ≈ 5).

Untuk mengkonfirmasi lebih lanjut efek kerapatan positif ini, kecepatan aliran-bebas vf diperkirakan, mis. tanpa kontak ( 5V ): vf = L / ( T - C · ∆ T ), di mana L = 2 cm (bagian jembatan tempat pengamatan dilakukan).

Indeks vf awalnya meningkat dengan kepadatan hingga 5 semut per cm ² , dan kemudian kembali ke nilai aslinya. Penjelasan fluktuasi seperti itu tidak terletak pada matematika, tetapi dalam biologi. Semut Argentina menggunakan feromon, yang menandai jalur mereka agar tidak tersesat dan menunjukkan jalan kepada kerabat mereka untuk makanan atau rumah.

Menggabungkan semua efek bersama, para ilmuwan mengusulkan formula mereka sendiri untuk kecepatan pergerakan semut:

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

C ( k ) adalah jumlah rata-rata kontak yang sama dengan 0,61 k ;
⍺, β dan γ - mensimulasikan efek feromon: ⍺ - sesuai dengan daya tarik internal jembatan yang tidak ditandai dengan feromon; β - mewakili efek positif k ; γ adalah kisaran di mana efek feromon dapat terjadi. Tiga parameter ini diperkirakan menggunakan algoritma regresi nonlinear: ⍺ = 0,812 ± 0,009, β = 0,160 ± 0,010, γ = 0,156 ± 0,007.


Gambar No. 6

Dengan peningkatan k , penurunan kecepatan v ( 6A ) diamati. Untuk dinamika kecepatan ini, rumus berikut dialokasikan untuk seluruh aliran:

q ( k ) = kv ( k )

Pada grafik 6B, prediksi fluks q dikonstruksi, untuk estimasi yang digunakan data pengamatan eksperimental ( N = 7900 pengamatan). Kesepakatan yang jelas ditemukan antara model dan data eksperimen. Konstanta fungsi dicapai pada q ≈ 10 semut per cm ² per detik.

Terlepas dari kenyataan bahwa ketika kepadatan k meningkat, lebih banyak kontak muncul yang meningkatkan waktu tempuh T , yang secara negatif mempengaruhi fluks q , pada kepadatan <5 semut per cm ² individu bergerak lebih cepat, yang secara positif mempengaruhi fluks.

Kedua efek ini seimbang, yang mengarah ke peningkatan linear dalam fluks q dengan kepadatan k (fase 1). Ketika kepadatan lebih dari 8 semut per cm ² , meskipun melimpah rute (jembatan), semut mempertahankan aliran konstan q . Kecepatan v ( k ) terus menurun karena peningkatan kontak, tetapi efek negatif ini pada fluks q ( k ) dikompensasi oleh peningkatan k .

Dengan kata lain, fluks pada grafik 6B akan meningkat pada kepadatan tinggi k . Namun, secara eksperimental, aliran akhirnya harus berkurang, karena pendudukan (hunian area tertentu) semut di jembatan tidak dapat meningkat tanpa batas waktu.

Mengingat bahwa area jembatan yang tidak dihuni semut menurun dengan meningkatnya kepadatan, maka mengejutkan bahwa jumlah kontak meningkat secara eksklusif linear dengan kepadatan.

Pengamatan yang lebih aneh adalah paparan semut. Mereka menahan diri dari meninggalkan koloni dan pergi makan untuk menghindari meluapnya jembatan. Jadi, selama keseluruhan penelitian, kepadatannya tidak melebihi 18 semut per cm ² , terlepas dari kenyataan bahwa para ilmuwan meningkatkan jumlah koloni dan mengurangi lebar jembatan. Selain itu, semut yang sudah berada di jembatan jarang berubah 180 ° (probabilitasnya 0,01).

Untuk pengenalan yang lebih terperinci dengan nuansa penelitian, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan .

Epilog

Secara alami, manusia dan semut, terlepas dari sifat sosial keduanya, jauh berbeda. Kemacetan lalu lintas di dunia orang terbentuk dari orang (berjalan kaki atau dengan mobil), yang masing-masing terburu-buru tentang bisnis mereka. Sementara semut dari satu koloni selalu memiliki satu tujuan bersama. Selain itu, faktor-faktor eksternal, yang dapat dihindari semut dengan sangat efektif, adalah penyebab gabus yang sangat umum. Belum lagi fakta bahwa mereka selalu meninggalkan jejak feromon, yang memfasilitasi tugas menemukan jalan bagi kerabat mereka. Perlu juga dicatat bahwa semut tidak terlalu takut bertabrakan satu sama lain, tidak seperti kita. Dan mereka siap untuk tinggal di koloni, agar tidak membuat kemacetan lalu lintas, dengan demikian menempatkan di tempat pertama bukan tujuan pribadi, tetapi kebutuhan koloni. Sayangnya, ini juga sangat langka bagi orang-orang.

Cara semut menangani kemacetan adalah contoh yang bagus dari organisasi mereka yang luar biasa - fitur biologis yang telah dianugerahkan oleh evolusi kepada mereka, menjadikan mereka salah satu organisme hidup paling sukses di planet ini.




Terima kasih atas perhatian Anda, tetap penasaran dan selamat berakhir pekan, semuanya! :)

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada server entry-level analog unik yang kami ciptakan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps mulai dari $ 20 atau cara membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?