دما در حال افزایش است و یک کلنی مورچه به زودی باید تصمیم جمعی بگیرد. هر مورچه گرمای بالارونده را زیر پای خود احساس می کند، اما طبق معمول حرکت می کند تا زمانی که ناگهان مورچه ها مسیر خود را برعکس می کنند. تمام گروه با عجله بیرون می آیند – تصمیم برای تخلیه گرفته شده است. تقریباً انگار کلنی مورچه ها ذهن جمعی و بزرگتری دارد.
یک مطالعه جدید نشان می دهد که در واقع، مورچه ها به عنوان یک گروه شبیه به شبکه های عصبی در مغز رفتار می کنند.
دانیل کرونور از راکفلر و آساف گال، دستیار فوق دکترا، یک مجموعه آزمایشی جدید را برای تجزیه و تحلیل دقیق تصمیم گیری در کلنی مورچه ها ایجاد کردند.
آنها دریافتند که وقتی یک کلنی به دلیل افزایش دما تخلیه می شود، تصمیم آن تابعی از بزرگی افزایش گرما و اندازه گروه مورچه ها است.
یافته‌ها نشان می‌دهد که مورچه‌ها اطلاعات حسی را با پارامترهای گروه خود ترکیب می‌کنند تا به یک پاسخ گروهی برسند – فرآیندی شبیه به محاسبات عصبی که منجر به تصمیم‌گیری می‌شود.
Kronauer، رئیس آزمایشگاه تکامل اجتماعی و رفتار می‌گوید: ما پیشگام رویکردی برای درک کلنی مورچه‌ها به‌عنوان یک سیستم شناختی مانند بودیم که ورودی‌ها را درک می‌کند و سپس آنها را به خروجی‌های رفتاری ترجمه می‌کند.
این یکی از اولین گام‌ها به سوی درک واقعی چگونگی مشارکت جوامع حشرات در محاسبات جمعی است.
یک پارادایم جدید
در ابتدایی ترین سطح خود، تصمیم گیری به مجموعه ای از محاسبات خلاصه می شود که برای به حداکثر رساندن منافع و به حداقل رساندن هزینه ها انجام می شود. به عنوان مثال، در یک نوع رایج تصمیم گیری به نام آستانه پاسخ حسی، یک حیوان باید ورودی حسی مانند گرما را که از یک سطح معین گذشته است تشخیص دهد تا رفتار پرهزینه خاصی مانند دور شدن ایجاد کند. اگر افزایش دما به اندازه کافی بزرگ نباشد، ارزش آن را نخواهد داشت.
کرونوئر و گال می خواستند بررسی کنند که چگونه این نوع پردازش اطلاعات در سطح جمعی رخ می دهد، جایی که پویایی گروه وارد عمل می شود. آنها سیستمی را توسعه دادند که در آن می‌توانستند با افزایش دمای کنترل‌شده، کلنی مورچه‌ها را به طور دقیق مختل کنند.
برای ردیابی واکنش‌های رفتاری مورچه‌ها و کل کلنی، آنها هر حشره را با نقاط رنگی مختلف علامت‌گذاری کردند و حرکات آنها را با دوربین ردیاب دنبال کردند.
همانطور که محققان انتظار داشتند، کلنی هایی با اندازه مجموعه ای از ۳۶ کارگر و ۱۸ لارو به طور قابل اعتمادی لانه خود را هنگامی که دمای هوا به حدود ۳۴ درجه سانتیگراد رسید، تخلیه کردند. کرونوئر می‌گوید، این یافته کاملاً منطقی است، زیرا اگر خیلی ناراحت شوید، ترک می‌کنید.
با این حال، محققان از این که دریافتند مورچه ها فقط به خود دما واکنش نشان نمی دهند شگفت زده شدند. هنگامی که آنها اندازه کلنی را از ۱۰ به ۲۰۰ نفر افزایش دادند، دمای لازم برای تصمیم گیری برای تخلیه افزایش یافت. برای مثال، مستعمرات ۲۰۰ نفری، تا زمانی که دمای هوا از ۳۶ درجه بالاتر رفت، ایستادگی کردند.
“به نظر می رسد که آستانه ثابت نیست. در عوض، این یک ویژگی اضطراری است که بسته به اندازه گروه تغییر می کند.”
مورچه‌های منفرد از اندازه کلنی خود بی‌اطلاع هستند، پس چگونه تصمیم‌گیری آنها می‌تواند به آن بستگی داشته باشد؟ او و گال گمان می‌کنند که این توضیح مربوط به روشی است که فرومون‌ها، پیام‌رسان‌های نامرئی که اطلاعات را بین مورچه‌ها ارسال می‌کنند، در زمانی که مورچه‌های بیشتری حضور دارند، اثر خود را افزایش می‌دهند.
آنها از یک مدل ریاضی استفاده می کنند تا نشان دهند که چنین مکانیزمی واقعاً قابل قبول است. اما آنها نمی‌دانند که چرا مستعمرات بزرگ‌تر به دمای بالاتری برای جابجایی نیاز دارند.
کرونوئر می‌گوید که هر چه اندازه کلنی بزرگ‌تر باشد، جابه‌جایی آن سخت‌تر است و دمای بحرانی که جابجایی‌ها برای آن اتفاق می‌افتد را بالا می‌برد.
در مطالعات آینده، کروناور و گال امیدوارند مدل نظری خود را از فرآیند تصمیم‌گیری در کلنی مورچه‌ها با تداخل در پارامترهای بیشتر و مشاهده نحوه واکنش حشرات اصلاح کنند. به عنوان مثال، آنها می توانند سطح فرمون ها را در محفظه مورچه ها دستکاری کنند یا مورچه های تغییر یافته ژنتیکی با توانایی های مختلف برای تشخیص تغییرات دما ایجاد کنند.
Kronauer می‌گوید: «کاری که ما تاکنون انجام داده‌ایم این است که سیستم را مختل کنیم و خروجی را دقیقاً اندازه‌گیری کنیم. در بلندمدت، ایده مهندسی معکوس سیستم برای استنباط عملکرد درونی آن با جزئیات بیشتر است.
ظهور آستانه پاسخ حسی جمعی در کلنی های مورچه ها
آستانه پاسخ حسی یک ویژگی بیوفیزیکی اساسی سیستم های بیولوژیکی است که زیربنای بسیاری از عملکردهای فیزیولوژیکی و محاسباتی است و مطالعه سیستماتیک آن نقشی محوری در کشف اصول محاسبات بیولوژیکی ایفا کرده است.
نتایج این مطالعه، نشان داد که کلنی‌های مورچه‌ها، که وظایف محاسباتی را در سطح گروه انجام می‌دهند، آستانه‌های پاسخ حسی جمعی دارند.
کلنی ها به طور جمعی به تغییرات درجه حرارت واکنش نشان می دهند و در هنگام آشفتگی های شدید لانه را تخلیه می کنند. این پاسخ با یک آستانه وابسته به اندازه گروه مشخص می‌شود و پویایی‌های اساسی تحت تأثیر بازخورد اجتماعی بین مورچه‌ها است.
با استفاده از یک مدل شبکه دودویی، محققان نشان دادند که تعادل بین برهمکنش‌های بازدارنده با برد کوتاه و تحریکی می‌تواند ظهور آستانه پاسخ جمعی و وابستگی به اندازه آن را توضیح دهد.
یافته‌ها نشان می‌دهد که چگونه پویایی‌های اجتماعی ساده به کلنی‌های حشرات اجازه می‌دهد تا اطلاعات مربوط به محیط خارجی و وضعیت داخلی خود را برای تولید پاسخ‌های جمعی تطبیقی یکپارچه کنند.