MRAVINJAK naizgled djeluje kao kaotična masa jedinki, no povremeno se gotovo cijela kolonija pokrene kao jedno. Ti nagli valovi aktivnosti, poznati kao izboji, izmjenjuju se s razdobljima mirovanja. Znanstvenici desetljećima proučavaju ovaj fenomen i uspoređuju ga s faznim prijelazima u fizici, ali ostaje nejasno kako se tisuće mrava uspiju sinkronizirati bez središnjeg vodstva, piše ScienceAlert.

Novi matematički model

Novi matematički model, predstavljen u časopisu PRX Life, pokazuje da se kolonije mrava naglo sinkroniziraju kada dosegnu određenu kritičnu točku. Dok se ispod tog praga mravi kreću neovisno, nakon što ga kolonija prijeđe, dovoljan je samo jedan mrav da pokrene lančanu reakciju koja zahvati cijeli mravinjak.

"Sinkronizacija ne ovisi o nekom posebnom pojedincu; bilo koji mrav može pokrenuti proces", pojasnio je Simon Garnier, biolog s Tehnološkog instituta u New Jerseyju. Na modelu su s Garnierom radili Michael Napoli sa Sveučilišta u New Yorku i Maurizio Porfiri.

Mehanizam sinkronizacije

"Pojava ritmova aktivnosti u našem modelu uvjetovana je dvama ključnim faktorima: kolonija mora reagirati na aktivnost pojedinca, odnosno biti podložna 'društvenoj zarazi', a ta se aktivnost mora širiti znatno brže od trajanja samih izboja", izjavio je Napoli.

Prema njegovim riječima, taj uvid otvara novi pogled na druge složene sustave u kojima se može javiti pulsirajuće ponašanje, ali se ono ne održava jer nedostaje jedan od ta dva elementa. Kolonije mrava imaju velik broj neaktivnih radnika, no susret s mravom u pokretu može i njih aktivirati.

Dok su raniji modeli tu društvenu aktivaciju opisivali statistički, novi model uzima u obzir i stvarne fizičke susrete potrebne za širenje aktivnosti.

Tri stanja aktivnosti

U modelu mravi prolaze kroz tri stanja: aktivno, neaktivno i refraktorno. Aktivni mravi se kreću i mogu potaknuti druge. Neaktivni miruju, ali su spremni za akciju.

Refraktorni su privremeno nepokretni i ne mogu se odmah ponovno aktivirati, što sprječava da se izboji nastavljaju bez prestanka. Simulacije su pokazale da se aktivnost gasi ako se mravi kreću presporo ili se rijetko susreću. Međutim, kada brzina, gustoća ili doseg interakcije prijeđu kritični prag, susreti postaju dovoljno česti da aktivnost jednog mrava pokrene kaskadu u cijeloj koloniji.

Pitanje vremenskog okvira

Napoli taj efekt uspoređuje s fizikalnim faznim prijelazom, poput smrzavanja vode, ali ističe važno ograničenje. "Prijelaz određuje je li izboj uopće moguć, a ne hoće li se dogoditi u nekom konkretnom trenutku", rekao je. Model stoga ne može predvidjeti točan trenutak pokretanja kolonije, ali može utvrditi je li ona u stanju koje omogućuje sinkronizirane izboje.

Ključno pitanje je kako se aktivnost jednog mrava proširi cijelom kolonijom prije nego što zamre. "Otkrili smo da se izboji u modelu pojavljuju zbog goleme razlike u vremenskim mjerilima između kretanja mrava, koje širi aktivnost, i ciklusa promjena u ponašanju, koji određuje trajanje izboja", objasnio je Napoli.

Drugim riječima, interakcije šire aktivnost mnogo brže nego što traje cjelokupni ciklus aktivnosti i mirovanja kolonije. To omogućuje da se impuls prenosi s jedinke na jedinku bez ikakvog zapovjednika.

"Izboji aktivnosti mogu biti mehanizam kojim se brzo šire informacije"

Iako se rezultati simulacija podudaraju s opažanjima iz ranijih studija, rad je isključivo matematički, pa su već započela testiranja sa živim mravima. "Trenutno provodimo i analiziramo eksperimente kako bismo potvrdili model na stvarnim podacima", rekao je Napoli.

"Posebno nas zanima koliko je kolonija blizu praga prijelaza, jer bi izboji aktivnosti mogli biti mehanizam kojim kolonija iznimno brzo širi informacije."

Rezultati bi mogli otkriti koliko blizu tom pragu funkcioniraju stvarne kolonije i pomažu li izboji učinkovitom prijenosu informacija. Evolucijska prednost takvog ponašanja još nije razjašnjena.

Studija iz 2023. godine navodi da bi sinkronizirano kretanje moglo olakšati prolaz kroz zakrčene tunele mravinjaka.

S druge strane, istraživanje iz 2017. pokazalo je da ciklusi aktivnosti mogu i ometati komunikaciju ako sinkronizirano mirovanje prekine lance fizičkog kontakta među radnicima. Izboji aktivnosti stoga vjerojatno predstavljaju kompromis između kretanja, komunikacije, potrošnje energije i organizacije rada.