211service.com
Het geheim van transportnetwerken voor mieren
Een van de meest indrukwekkende transportnetwerken ter wereld zijn de complexe paden die mieren rond hun nesten creëren. Deze netwerken ontstaan door de verkenning van hun omgeving door de mieren en leiden uiteindelijk tot de distributie van voedsel voor de kolonie en de dagelijkse verplaatsingen van honderdduizenden individuen.
Bovendien zijn deze netwerken niet zomaar een willekeurige kriskras door de ruimte. In plaats daarvan zijn ze een zeer efficiënte oplossing voor het probleem van het zoeken en vervoeren van voedsel. Verschillende groepen hebben mierachtige foerageeralgoritmen gemaakt om andere soorten virtuele verkenning uit te voeren.
Een vraag die biologen heeft gefascineerd, is hoe mieren deze netwerken bouwen. Ze weten al een tijdje dat mieren kleine afzettingen van feromonen achterlaten terwijl ze reizen en dat andere mieren deze sporen volgen en hun eigen afzettingen achterlaten. Dit verhoogt de concentratie van het feromoon, waardoor het spoor wordt versterkt.
Maar het precieze algoritme dat bepaalt hoe mieren op feromonen reageren, was moeilijker vast te stellen. Veel experimenten laten zien dat een spoor alleen kan worden versterkt als mieren een onevenredig grotere kans hebben om een spoor met een hogere feromoonconcentratie te volgen.
Biologen zijn er altijd van uitgegaan dat deze onevenredige reactie betekent dat mieren een niet-lineaire reactie op de chemische stof moeten hebben. Met andere woorden, de neiging van een mier om zich naar een feromoonafzetting te wenden, is op een niet-lineaire manier gerelateerd aan de concentratie.
Maar dat lijkt in strijd met een van de grote triomfen van de experimentele biologie: de wet van Weber, die de waargenomen intensiteit van een stimulus in verband brengt met zijn fysieke omvang. Biologen weten dat dit geldt voor de menselijke waarneming van veel stimuli, zoals de intensiteit van geluid, en hebben dit ook bij veel insecten geverifieerd. Dus waarom niet bij mieren?
Vandaag lossen Andrea Perna van het Complex Systems Institute van Paris Ile de France en een paar vrienden het probleem op. Deze jongens hebben een geheel nieuwe manier ontwikkeld om feromonensporen in beeld te brengen, waardoor ze de reactie van mieren op feromonen gedetailleerder dan ooit tevoren kunnen bestuderen.
Ze zeggen dat de structuur van mierensporen volledig kan worden verklaard als de reactie van de mieren op een feromoondruppelconcentratie lineair is. Eén mier zal naar links draaien in verhouding tot het verschil tussen het feromoon dat hij aan zijn linkerkant heeft en het feromoon aan zijn rechterkant, zeggen Perna en co.
Ze wijzen er ook op dat dit precies is wat de wet van Weber voorspelt.
Dus waar komt de niet-lineariteit die nodig is om paden te creëren vandaan? Perna en co zeggen dat mierengedrag onvermijdelijk luidruchtig is. We laten zien dat de vereiste niet-lineariteit niet zit in de perceptuele respons van de mieren, maar in het geluid dat samenhangt met hun beweging, zeggen ze.
Dat is een fascinerend resultaat omdat het laat zien hoe complexiteit in de natuur ontstaat met de eenvoudigste input.
En het heeft duidelijk implicaties voor de studie van andere complexe structuren die mieren creëren, zoals hun nesten. Hoe mieren deze enorme levendige structuren creëren, heeft biologen lang verbaasd.
Perna en vrienden hinten op een antwoord in hun conclusie. We kunnen ons voorstellen dat andere collectieve fenomenen, zoals groepsbesluitvorming, ook gebaseerd zouden kunnen zijn op een koppeling tussen de Wet van Weber en eenvoudige feedbackmechanismen.
In het geval van nesten zou dit mechanisme in drie dimensies moeten werken in plaats van in twee. Maar dat moet niet te veel een uitdaging zijn. Misschien een probleem dat een relatief eenvoudig computermodel zou kunnen helpen oplossen.
Referentie: arxiv.org/abs/1201.5827 :Individuele regels voor de vorming van spoorpatronen bij Argentijnse mieren (Linepithema Humile)