Movimenti matematici delle formiche

Linepithema_Argentine_ant

Studi svolti da ricercatori spagnoli e statunitensi hanno ricostruito nel dettaglio i movimenti combinati di migliaia di formiche tramite l’utilizzo di modelli matematici

La capacità di creare sistemi biologici collettivi è una caratteristica molto presente in natura, tanto che può essere ritrovata in molte specie; basti pensare agli stormi di uccelli, ai banchi di pesci e alle colonie di formiche. Le formiche sono uno degli esempi migliori con cui si possono osservare questi sistemi complessi di organizzazione. Molte specie di formiche, infatti, quando si muovono formano grandi reticolati che risultano fondamentali per la loro organizzazione sociale.

In due studi pubblicati sulle riviste Journal of Mathematical Analysis and Applications e Mathematical Bioscences, sono stati analizzati i movimenti delle formiche argentine (Linepithema humile) con lo scopo di comprendere come il comportamento di ciascun individuo potesse garantire la formazione di questo sistema complesso di organizzazione. Si è dimostrato che questo schema si forma grazie all’attività collettiva di migliaia di formiche, le quali tutte insieme utilizzano tracce di feromoni che rilasciano mentre ricercano cibo nell’ambiente a loro circostante. La particolarità di questo meccanismo risiede nell’intensità dei feromoni rilasciati da questi insetti; le formiche infatti sembrano prediligere percorsi in cui la presenza di queste tracce sono più diffuse (fenomeno chiamato rafforzamento). Tuttavia, la scia di feromoni sembra non essere l’unico indizio mediante cui questi insetti selezionano i percorsi da intraprendere. Infatti, quando la concentrazione di feromone non è presente nelle vicinanze, le formiche tendono a non cambiare la propria direzione in assenza di effetti esterni.

In questi due studi, i ricercatori hanno proposto un modello osservando le formiche durante l’esplorazione di un’area circolare vuota e hanno analizzato tutte le direzioni, i cambiamenti e il grado di persistenza dei loro movimenti. Per capire se veramente si potessero utilizzare dei modelli matematici per comprendere come si muovono le formiche, per prima cosa si è cercato di analizzare singole formiche durante l’attività di foraggiamento all’interno di una piastra di Petri e successivamente si è verificato se la formazione dei loro percorsi potesse formare delle dinamiche prevedibili.Per riuscire a stabilire questi movimenti, i ricercatori hanno creato una griglia sovrapposta alla piastra, in modo da tracciare la quantità di feromone a ogni nodo della griglia stessa.

Una volta inserita nell’area di studio, si è osservato che ciascuna formica si comporta come un random walker che tenderà a scegliere una direzione piuttosto che un’altra in base alla somma di due parametri fondamentali: uno casuale e uno determinato dalla presenza o assenza del feromone. Dai risultati emerge che le formiche riescono a intraprendere le proprie dinamiche seguendo una distribuzione che i ricercatori sono riusciti a modellizzare. Le simulazioni ottenute hanno infatti portato alla formazione di schemi ramificati molto simili a quelli reali e potranno ora essere molto utili per lo studio della colonizzazione di nuove aree da parte di questa specie, ormai considerata tra le più invasive e pericolose del pianeta.


Riferimento:
M. Vela-Pérez, M.A. Fontelos, S. Garnier. From individual to collective dynamics in Argentine ants (Linepithema humile). Mathematical Biosciences, 2015; 262: 56 DOI: 10.1016/j.mbs.2015.01.007

Marco A. Fontelos, Avner Friedman. A PDE model for the dynamics of trail formation by ants. Journal of Mathematical Analysis and Applications, 2015; 425 (1): 1 DOI: 10.1016/j.jmaa.2014.12.030


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