Descoperirea complexității traseelor de furajare ale furnicilor | RegTech

Comportamentul de furajare al furnicilor, cu interacțiunea sa între indivizi și grup, joacă un rol important în studiul autoorganizării și al comportamentului emergent al sistemelor complexe1,2 și a inspirat binecunoscuta metaeuristică Ant Colony Optimization (ACO).2-4 Cu toate acestea, în ACO, se consideră, de obicei, că furnicile care caută hrană utilizează un set destul de simplu de reguli comportamentale3,5,6 , care se limitează adesea la simpla afirmație: „Dacă găsești hrană, te întorci la cuibul care depune feromoni” și „urmezi preferențial traseele cu mai mulți feromoni”.3,5,7 Studiul ulterior al căutării hranei de către furnici a scos la iveală și alte reguli de căutare a hranei și proprietăți ale rețelei de trasee de feromoni.6 De exemplu, furnica faraonului depozitează două tipuri de feromoni atractivi: un feromon cu durată scurtă de viață, care dispare în 20 de minute, și un feromon cu durată mai lungă de viață, care acționează ca o memorie externă pe termen lung, permițând coloniilor să reutilizeze traseele stabilite cu una sau două zile înainte.8 La furnica Lasius niger, au fost descoperite reguli precum: „Depuneți mai mult feromon atunci când calitatea hranei este mai bună „10 , „Depuneți mai mult feromon dacă colonia moare de foame „11 și „Depuneți mai mult feromon cu cât vă apropiați mai mult de sursa de hrană „12 . Cu toate acestea, furnicile care caută hrană nu se bazează numai pe feromoni. Căutătorii de L. niger își pot forma amintiri precise ale traseului după doar câteva vizite la o sursă de hrană13-15 , iar aceste amintiri ale traseului sunt urmate cu precădere de feromonii de traseu atunci când în cele două intră în conflict.13,15-17

Într-o lucrare recentă18 , am permis căutătorilor de L. niger care făcuseră deja mai multe călătorii la un alimentator să meargă de-a lungul unei pasarele cu segmente alternante marcate și nemarcate de feromoni de traseu depozitați în mod natural. Am constatat că cele două surse de informații, memoria traseului și feromonul de traseu, interacționează. Furnicile experimentate folosesc prezența feromonului de traseu ca ceea ce am numit „reasigurare” că se află pe drumul corect. Astfel reasigurate, furnicile merg mai repede și mai drept. Dacă, din întâmplare, fac o greșeală și se abat de la traseu, ele reduc viteza, merg mai sinuos și fac mai multe întoarceri în „U”. Am sugerat că acest lucru le-ar putea ajuta să revină pe calea cea bună. Mai mult, am arătat că furnicile care au o memorie a traseului reduc considerabil cantitatea de feromon pe care o depun, pe care am cuantificat-o prin numărarea numărului de ori în care își pun vârful abdomenului pe substrat, atunci când se abat de la traseul marcat. Aceasta reprezintă o altă regulă utilizată de furnici pentru a modifica depunerea de feromoni: „Reduceți depunerea de feromoni dacă ieșiți de pe un traseu de feromoni și ați mai fost înainte la sursa de hrană.” Se presupune că acest lucru reduce probabilitatea ca furnicile colege de cuib să fie deviate pe o cale greșită, menținând astfel integritatea traseului și prevenind o cascadă de erori.

Dar, complexitatea constatată în acest experiment s-a extins mai mult decât interacțiunea dintre feromonii din traseu și memorie; furnicile și-au schimbat comportamentul și în prezența marcajelor din domeniul de domiciliu. Marcajele domeniului de domiciliu la L. niger constau în hidrocarburi cuticulare (CHCs) secretate de glandele tarsale de pe picioare19,20 și sunt depuse pasiv pe suprafețele pe care furnicile pășesc.20 Acestea sunt non-volatile, de lungă durată și, spre deosebire de feromonii de urmă, care conduc la locații specifice, CHCs sunt considerate a fi marcaje ale domeniului de domiciliu. Din cauza traficului mai intens de furnici în apropierea cuibului, se formează un gradient de CHC de la intrarea în cuib spre exterior, care definește zonele frecvent vizitate de către fornăiturile coloniei.21 Furnicile pot percepe CHC-urile de pe o suprafață și de pe alte furnici.

Prezența CHC-urilor pe substrat crește nivelul de agresivitate22 și reduce timpul de descoperire a hranei23 și sinuozitatea mersului23 la L. niger și s-a demonstrat, de asemenea, că sporește depunerea de feromoni la prima întoarcere la cuib.21,23 Cu toate acestea, observând furnicile care fac călătorii repetate la un alimentator, am constatat că aceasta era doar jumătate din poveste. Atunci când se deplasează pe un substrat cu marcaje ale domeniului de domiciliu, dar fără feromoni de traseu, furnicile experimentate depun mai puțin feromon în timpul călătoriilor de dus către o sursă de hrană și depun mai mult feromon la întoarcere (a se vedea figura 1). În cazul în care nu există marcaje ale teritoriului natal, depunerea atât la plecare, cât și la întoarcere este de intensitate intermediară. Cu alte cuvinte, furnicile par să dispună de o regulă suplimentară care modifică intensitatea depunerii de feromoni: „Dacă se întorc la un hrănitor pe un traseu marcat cu marcaje de home range, depun mai puțin feromon.”

Descoperirea faptului că un traseu este puternic marcat de CHC-uri pe o călătorie de ieșire, dar nemarcat de feromoni de traseu poate indica faptul că sursa de hrană a fost puternic exploatată și acum poate fi epuizată. În acest caz, nu ar avea prea mult sens să se mărească recrutarea de forțatori pe traseul de ieșire, deoarece sursa de hrană ar putea fi epuizată. Cu toate acestea, în timpul călătoriei de întoarcere, când furnica știe că există hrană la capătul traseului, colonia ar beneficia de o recrutare suplimentară în acest loc. Într-adevăr, un nivel ridicat de CHC-uri sugerează că această sursă de hrană a fost vizitată frecvent în trecut, deci nu este doar productivă, ci și sigură (dacă nu există feromoni de alarmă). În timp ce aceste argumente explicite nu sunt, cel mai probabil, luate în considerare în mod conștient de către furnici, regulile comportamentale cu care sunt echipate furnicile sugerează o reglare complexă și subtilă a comportamentului de recrutare, pe baza unor surse multiple de informații.

Se conturează o imagine de mare complexitate a regulilor care afectează căutarea hranei și recrutarea la L. niger. Furnicile individuale sunt echipate cu multe reguli care le guvernează comportamentul și își modifică comportamentul în funcție de mai mulți factori, inclusiv, dar fără îndoială nu se limitează la prezența feromonilor de urmărire, prezența marcajului domeniului de domiciliu, direcția de deplasare și nivelul de experiență, precum și interacțiunile dintre aceste surse de informații. Acest lucru reflectă lucrările care au scos la iveală o sofisticare similară în comunicarea albinelor de miere, care au cel puțin patru semnale mecanice și două feromoni care influențează căutarea hranei24-26 , precum și căutarea hranei la furnicile faraon, care au feromoni de traseu multipli și pot chiar extrage informații din geometria sistemului de trasee.8,9,27 Semnalele și sursele de informații multiple par să fie regula în sistemele naturale complexe, cum ar fi căutarea hranei de către furnici, și preconizăm că, prin studierea furnicilor individuale pe parcursul mai multor călătorii de căutare a hranei, ar putea apărea mai multe astfel de reguli. Se fac progrese în înțelegerea seturilor complexe de reguli pe care furnicile le folosesc atunci când se hrănesc, dar suntem încă departe de o înțelegere completă a sistemului. Descoperirea de noi reguli comportamentale ar putea inspira dezvoltarea următoarei generații de sisteme logice ACO.6 La urma urmei, dacă se pot construi atât de multe lucruri pe baza unor reguli comportamentale de bază descoperite în urmă cu peste o jumătate de secol, aplicarea descoperirilor actuale și viitoare ar putea reprezenta un mare pas înainte.

.