Их массовые набеги считаются вершиной коллективного кормодобывания в животном мире. Набеги представляют собой скоординированный охотничий рой из тысяч, а у некоторых видов и миллионов муравьев. Муравьи самопроизвольно выбегают из своего гнезда, перемещаясь колоннами по лесной подстилке в поисках пропитания. Рейды – одно из самых знаковых коллективных действий в животном мире.
Ученые изучали их экологию и тщательно наблюдали за их сложным поведением. И хотя мы знаем, как происходят эти набеги, мы ничего не знаем о том, как они развивались.
Новое исследование в Proceedings of the National Academy of Sciences, проведенное Викрамом Чандрой, докторантом Гарвардского университета, Асафом Галом, научным сотрудником Университета Рокфеллера, и Дэниелом Дж.C.
Кронауэр, Стэнли С. и Сидней Р. Шуман, доцент Университета Рокфеллера, сочетает филогенетические реконструкции и вычислительный анализ поведения, чтобы показать, что массовые набеги на армейских муравьев произошли от другой формы скоординированной охоты, называемой групповым набегом, за счет масштабных эффектов увеличения размера колонии.
Исследователи обнаружили, что предки массовых набегов армейских муравьев – это довольно разные групповые набеги, которые совершают их неармейские родственники-муравьи.
Эволюция массовых набегов из групповых набегов произошла десятки миллионов лет назад, и переход от групповых набегов к массовым набегам идеально коррелирует с массовым увеличением размера колонии.
«Все эти муравьи относятся к подсемейству Dorylinae», – сказал Чандра. "Первые муравьи-дорилины, которые не были армейскими муравьями, жили небольшими колониями по несколько сотен рабочих. Когда армейские муравьи эволюционировали от группового поведения к массовым набегам, они также значительно увеличили размеры своих колоний. Колонии армейских муравьев теперь насчитывают десятки тысяч, а часто и миллионы муравьев."
Лаборатория социальной эволюции и поведения Кронауэра в Университете Рокфеллера изучает клонального муравья-рейдера Ooceraea biroi, родственника армейских муравьев. Клональные муравьи-налетчики – почти единственный вид муравьев, с которыми можно держать в лаборатории и экспериментировать бесконечно. Они также генетически поддаются обработке, поскольку исследователи могут создавать мутанты или трансгенные линии для сравнения. Но они также плохо изучены, недостаточно изучены и их трудно найти в полевых условиях.
Массовые набеги армейских муравьев хорошо изучены и описаны; однако групповой рейд не. А понимание группового рейда является ключом к пониманию эволюционной траектории массового рейда.
«Моей целью всегда было изучить, как социальное поведение развивается и контролируется, и как развивались армейские муравьи», – сказал Кронауэр. "Несколько лет назад мы обнаружили, что клональные муравьи-налетчики добывают корм через набеги, которые похожи на набеги армейских муравьев."
Чтобы понять, как структурированы и организованы рейды, команда собрала большое количество видеозаписей многих колоний, совершающих набеги в контролируемых условиях.
«Наша цель состояла в том, чтобы понять, каковы основные правила поведения, которым следуют муравьи, и как налет возникает из поведения отдельных муравьев», – сказал Гал. "Отслеживание людей в плотной колонии является сложной задачей и не имеет общепринятого решения. Это особенно актуально для маленьких муравьев, которые любят образовывать плотные скопления, таких как муравьи-рейдеры."
Исследователи преодолели эту проблему, используя разработанное в лаборатории специализированное программное обеспечение компьютерного зрения под названием anTraX, которое отслеживало и идентифицировало муравьев по маленьким цветным отметкам, нанесенным на их живот и грудную клетку. Этот метод позволил им собрать точные траектории для всех муравьев в течение нескольких недель с минимальными человеческими усилиями и без использования дорогих камер с высоким разрешением.
В небольшом гнезде из 25 муравьев они использовали 5 наборов цветов и раскрасили каждого муравья уникальным набором цветов. Исследователи поместили одиночную куколку огненного муравья (жертву) на арену для кормления за пределами гнезда. Гнездо отправляет разведчика на поиски еды.
Как только разведчик находит еду, она прокладывает феромоновый след до дома. Внутри гнезда она выпускает, как полагают исследователи, феромон вербовки, который привлекает к ней муравьев.
Они вылезают из гнезда и идут по ее следу к еде в групповом рейде.
По мере того, как исследователи увеличивали размер колонии, количество разведчиков, отправляемых за кормом, также увеличивалось, и они стали видеть более скоординированные поисковые действия. Такое же поведение наблюдается у армейских муравьев, но в масштабе десятков тысяч, а часто и миллионов муравьев, с очень большим увеличением количества разведчиков.
"Наш поведенческий анализ показывает, что групповые рейды имеют стереотипную структуру, и что они сохраняются у Dorylinae.
Поскольку переход от групповых к массовым набегам в течение эволюционного времени полностью связан с массовым увеличением размера колонии, мы задались вопросом, имеет ли это какое-то отношение к переходу в рейдерском поведении ", – сказал Чандра. «Мы постепенно увеличили количество наших колоний с 10 до 100 муравьев, и мы увидели очень хорошее улучшение скоординированного поиска по мере увеличения размера колонии."
"Наши эксперименты показывают, что в более крупных колониях муравьи становятся более синхронными, покидая гнездо на разведку. Другими словами, когда муравей уходит, шансы, что за ним последует больше муравьев, выше в больших колониях.
Хотя мы не можем напрямую сказать много о фактическом механизме, лежащем в основе этого наблюдения, мы знаем из других сложных систем, что увеличение синхронности является результатом более сильной положительной обратной связи между людьми », – сказал Гал. "При ограничении размера армейских муравьев это приведет к тому, что мы называем массовым рейдом."
Но сходство с поведением армейских муравьев при увеличении размера колонии не ограничивалось временной синхронизацией. Эксперименты также показали, что армейские муравьи и их сородичи придерживаются одного и того же набора правил поведения при поиске пищи. Несколько армейских муравьев сначала покидают гнездо без следов феромонов снаружи.
Они нерешительно выходят, а затем, кажется, колеблются, поворачиваются и бегут обратно. Но внутри гнезда есть муравьи, которые хотят уйти, поэтому они выталкивают их обратно, или они занимают их место. Поскольку каждый муравей, который уходит и возвращается, прокладывает феромоновый след, группа медленно расширяет след от гнезда очередями.
Эта «толкающая вечеринка» – это то, как армейские муравьи создают колонну муравьев, покидающих гнездо и путешествующих довольно далеко. По мере того, как исследователи увеличивали размер колонии клональных муравьев-налетчиков, они наблюдали то же поведение.
«В маленьких колониях это сложно увидеть, потому что там так мало муравьев», – сказал Чандра. "Но мы статистически показываем, что это действительно происходит, и у нас есть случаи, когда это весьма драматично. Таким образом, даже в небольших колониях клональных муравьев-налетчиков каждый муравей, похоже, следует очень похожим правилам поискового поведения по сравнению с армейским муравьем, хотя на первый взгляд это может не выглядеть так. И по мере увеличения размера колонии взаимодействие между этими муравьями приводит к большей координации, вы начинаете видеть более очевидные “ толкающие стороны ”, и вы начинаете фактически видеть спонтанные колонны муравьев, покидающих гнездо."
Чтобы дважды проверить это, команда экспериментировала с двумя колониями по 5000 рабочих каждая, что на порядок больше, чем в естественных колониях этого вида.
В этих исследованиях набеги продемонстрировали все четыре характерных черты массовых набегов армейских муравьев: большое количество муравьев, которые участвуют в набеге, разветвленная тропа, позволяющая армейским муравьям совершать набеги на несколько источников добычи, вербовка, которая происходит за пределами гнезда. на фронте рейда, и спонтанно инициированный рейд.
При небольших размерах колонии эти правила проявляются в виде групповых набегов, а по мере увеличения размера колонии – экспериментально или в процессе эволюции – эти правила приводят к массовым набегам.
Команда пришла к выводу, что увеличения размера колонии у предков армейских муравьев достаточно, чтобы вызвать переход от групповых набегов к массовым набегам.
«Вероятно, наиболее распространенная закономерность заключается в том, что коллективное поведение развивается посредством естественного отбора, действующего на и корректировки правил взаимодействия, которым следуют отдельные животные», – сказал Кронауэр. «Но наше исследование является хорошим примером другого механизма: эффекты масштабирования, связанные с размером группы, могут дать вам кардинально разные результаты с точки зрения коллективного поведения, даже если отдельные правила не сильно меняются."
Гал согласился: «Конечно, давно известно, что изменение размера группы может иметь драматический эффект на возникающее коллективное поведение. Это было показано как теоретически, так и экспериментально. Теперь мы показали, что этот эффект также может быть использован эволюцией, и что коллективное поведение может быть адаптировано в эволюционных временных масштабах без фактического изменения поведения индивидов."
Насколько известно, скоординированное поведение клональных муравьев-налетчиков – одно из самых сложных социальных форм поведения, которое можно вызвать или изучить в лаборатории.
В настоящее время авторы работают над детальным изучением того, как отдельные муравьи ведут себя во время набега, и как структура налета реагирует на изменение окружающей среды и состава колонии.
«Мы подозреваем, что муравьи в какой-то степени специализируются на определенных задачах», – сказал Чандра. "Вероятно, происходит какое-то очень интересное разделение труда, а также явно сложное общение – муравьи используют несколько разных феромонов, чтобы разговаривать друг с другом и организовывать набег.
И есть несколько решений, которые колония должна принять в ходе рейда. Это невероятно богатое поведение, и есть много вопросов, которые мы могли бы задать в будущем, и мы закладываем основу для этого."