Como uma formiga pode desencadear uma onda de actividade em toda uma colónia

Um formigueiro pode dar a impressão de ser um emaranhado de corpos minúsculos, cada um a deslocar-se por conta própria.

Ainda assim, por vezes acontece algo notável: grande parte da colónia entra em actividade praticamente ao mesmo tempo.

Explosões de actividade nas colónias de formigas

Estes súbitos picos de movimento, designados explosões de actividade, dão lugar a períodos de relativa tranquilidade.

Há décadas que os cientistas comparam estas explosões a transições de fase em sistemas físicos. No entanto, continua por esclarecer de que modo tantas formigas se sincronizam sem a orientação de uma líder.

Um novo modelo matemático, apresentado num estudo publicado na PRX Life, sugere que as colónias de formigas passam subitamente a agir de forma sincronizada quando atingem um ponto crítico.

(Pebi WMF/500px/Getty Images)

Antes de alcançarem esse ponto, as formigas movem-se de forma independente. Depois de a colónia o ultrapassar, basta uma única formiga para iniciar uma onda de actividade que percorre todo o formigueiro.

“A sincronização não depende de nenhum indivíduo específico; qualquer formiga pode ser a primeira a mover-se”, afirma o biólogo Simon Garnier, do New Jersey Institute of Technology, num artigo publicado pela American Physical Society.

O engenheiro mecânico Michael Napoli, da Universidade de Nova Iorque, e Maurizio Porfiri, engenheiro de sistemas urbanos, desenvolveram o modelo juntamente com Garnier.

“O aparecimento de ritmos de actividade no nosso modelo depende estreitamente de dois ingredientes essenciais: a colónia tem de responder à actividade de um único indivíduo - ser sensível ao contágio social - e esse indivíduo tem de propagar a actividade muito mais depressa do que a escala temporal das explosões de actividade”, explicou Napoli à ScienceAlert.

“Esta conclusão oferece uma perspectiva sobre outros sistemas complexos em que pode surgir, mas não persistir, um comportamento semelhante a explosões, pois a ausência de um destes dois ingredientes compromete a sincronização.”

Ritmos de actividade gerados pelo modelo matemático, com explosões de actividade separadas por intervalos mais calmos. (Cortesia de Michael Napoli)

As colónias de formigas têm números surpreendentemente elevados de operárias inactivas, mas o encontro com uma companheira de ninho em movimento pode levá-las a começar a deslocar-se.

Modelos anteriores descreviam esta activação social como uma probabilidade. O novo modelo incorpora também os encontros físicos necessários para que a actividade se propague.

Como funciona o modelo matemático

No modelo, as formigas alternam entre três estados: activa, inactiva e refractária.

As formigas activas deslocam-se e podem activar outras companheiras de ninho que estejam próximas. As inactivas mantêm-se imóveis, mas podem ser levadas a agir. Já as refractárias permanecem paradas e ficam temporariamente incapazes de se reactivar, impedindo que as explosões prossigam indefinidamente.

Os parâmetros do modelo basearam-se em medições realizadas anteriormente.

Duas formigas a interagir. (Maksim Shutov/Unsplash)

Nas simulações, a actividade extinguia-se antes de se espalhar quando as formigas se moviam demasiado devagar ou se encontravam com pouca frequência.

Porém, quando a velocidade, a densidade ou o alcance das interacções ultrapassavam um limiar crítico, os encontros tornavam-se suficientemente frequentes para que a actividade de uma formiga se propagasse em cascata pela colónia.

Napoli compara este efeito a uma transição de fase física, como o processo de congelação da água, mas salienta uma limitação importante.

“A transição determina se a explosão está presente, não se ocorrerá uma explosão no período de tempo seguinte”, disse.

Assim, o modelo não consegue prever com exactidão quando uma colónia tranquila entrará em actividade. Em vez disso, estabelece se a colónia se encontra num estado capaz de gerar explosões sincronizadas.

Porque a actividade se propaga pelo formigueiro

Como pode, então, a actividade de uma só formiga alastrar por todo o formigueiro antes de desaparecer?

“Este é, talvez, o resultado mais interessante do artigo”, disse Napoli.

Trabalhos anteriores concluíram que as colónias de formigas podem comportar-se como redes neuronais ao tomarem decisões colectivas e coordenar-se como um “superorganismo” quando respondem a ameaças.

“Descobrimos que as explosões no modelo surgem devido à diferença drástica de escala temporal entre o movimento das formigas - que dissemina a actividade - e o ciclo das transições comportamentais - que determina o período da explosão”, afirmou Napoli.

“Esta separação entre escalas temporais cria as condições adequadas para que as explosões persistam e é comparável a muitos fenómenos em cascata de tomada de decisões nos sistemas biológicos.”

Por outras palavras, as interacções difundem a actividade muito mais depressa do que a colónia percorre o seu ciclo mais amplo de actividade e repouso. Isto permite que o movimento iniciado por uma formiga passe de companheira de ninho para companheira de ninho, sem qualquer comandante.

As explosões simuladas foram, em termos gerais, compatíveis com as observações comunicadas em estudos anteriores. Contudo, o novo estudo foi matemático, e não experimental, estando em curso testes com formigas vivas.

“Actualmente, estão a ser realizados e analisados experimentos para validar o modelo com dados de formigas reais”, disse Napoli à ScienceAlert.

“Estamos especificamente interessados em avaliar a proximidade da colónia ao limiar de transição, em que as explosões de actividade podem servir de plataforma para a colónia difundir informação extremamente depressa pelo formigueiro.”

Os resultados poderão revelar até que ponto as colónias vivas funcionam perto deste limiar e se as explosões ajudam a informação a circular eficientemente. Qualquer vantagem evolutiva continua por determinar.

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Um estudo de modelação de 2023 sugeriu que o movimento sincronizado poderia melhorar o acesso em ninhos sobrelotados, ao reduzir os obstáculos criados pelas formigas inactivas.

Contudo, um estudo de 2017 concluiu que os ciclos de actividade de curta duração podem dificultar a transmissão de informação quando a inactividade sincronizada interrompe cadeias de contacto físico entre operárias.

Por isso, as explosões de actividade podem implicar compromissos entre movimento, comunicação, consumo de energia e organização do trabalho.

O estudo foi publicado na PRX Life.

Este artigo foi verificado por Clare Watson e editado por Clare Watson. Embora tenhamos orgulho no nosso processo, somos apenas humanos. Se detectar algum erro, avise-nos.