Symetrie lámání unikajících mravenců - Symmetry breaking of escaping ants
Symetrie lámání unikajících mravenců je jev, který se stane, když jsou mravenci uvězněni v buňce se dvěma ekvivalentními východy a narušeni repelentem proti hmyzu . Na rozdíl od intuice mají mravenci v průměru tendenci používat jedny dveře více než druhé (tj. Při únikovém chování dochází k narušení symetrie ), takže se tlačí na jedny dveře, což snižuje účinnost evakuace.
Popis
Symetrie-lámání fenomén vzniká v experimentech popsaných následovně. Čerstvě nasbíraní dělníci z pole jsou uzavřeni do kruhové cely se skleněným krytem takovým způsobem, že se mohou pohybovat pouze ve dvou rozměrech (tj. Mravenci nemohou přes sebe přecházet). Buňka má dva východy umístěné symetricky vzhledem ke svému středu. Toto popisuje nejprve „referenční“ experiment a poté ten, kde je „úniková symetrie “ přerušena.
V referenčním experimentu se obě dveře otevřou současně a nechají mravence uniknout. Pokud je experiment realizován mnohokrát, použije v průměru levé a pravé dveře přibližně stejný počet mravenců. V tomto experimentu není úniková symetrie narušena.
Druhý experiment zahrnuje další krok před otevřením dveří: tekutina odpuzující hmyz se nalije do buňky v jejím středu malým otvorem ve skleněném krytu. V důsledku toho se mravenci velmi vzrušují. Pokud je experiment realizován mnohokrát, počet mravenců unikajících jedněmi dveřmi (které mohou být náhodně buď levé, nebo pravé) je výrazně vyšší než počet mravenců unikajících druhým, tj. Únik symetrie je narušena. Shlukování mravenců u jedněch dveří, zatímco druhé mohou být v podstatě volné, má za následek neefektivní evakuaci z hlediska času.
Geng Li a spolupracovníci z Pekingské normální univerzity testovali, zda a jak hustota skupiny ovlivnila porušení symetrie u unikajících mravenců. K opakování výše uvedeného experimentu s různým celkovým počtem mravenců použili červeného importovaného ohnivého mravence ( Solenopsis invicta ). Výsledky ukazují, že narušení symetrie se při nízké hustotě zvyšuje, ale po vrcholu klesá. To znamená, že když je hustota nízká, mravenčí skupina vytváří kolektivní unikající chování, zatímco při vysoké hustotě se mravenčí skupina chová spíše jako náhodné částice.
Dějiny
Inspirováni dřívějšími počítačovými simulacemi, které předpovídaly fenomén narušující symetrii, když paničtí lidé utekli z místnosti se dvěma ekvivalentními východy, E. Altshuler a spolupracovníci z University of Havana navrhli experiment popsaný v části výše, který odhalil účinek narušení symetrie v mravenci Atta insularis .
Mravenec A. insularis ( na Kubě běžně nazývaný bibijagua ) vykazuje vysoký stupeň rojové inteligence , jako většina společenského hmyzu, což z něj činí miliony přeživších po miliony let evoluce . Na Kubě lze osobu popsat jako „chytřejší než bibijaguy “ ( sabe mas que las bibijaguas ). Špatná účinnost evakuace ilustrovaná fenoménem narušení symetrie u unikajících mravenců je jedním z mála příkladů, kdy se nezdá, že by se bibijaguové chovali kolektivně chytře.
Vysvětlení
Základní myšlenkou je, že působení repelentu vyvolává u mravenců chování stáda . Když jsou mravenci v „panice“, prožívají silnou tendenci jít jeden za druhým. Výsledkem je, že pokud náhodná fluktuace v systému produkuje lokálně velké množství mravenců, kteří se snaží dosáhnout jednoho ze dvou dveří, fluktuaci lze zesílit, protože mravenci mají tendenci sledovat směr většiny jednotlivců. Potom se tyto konkrétní dveře zaplní.
E. Altshuler a spolupracovníci byli schopni reprodukovat své experimenty narušující symetrii u mravenců pomocí zjednodušené verze teoretického modelu navrženého dříve Helbingem et al. pro lidi na základě skutečnosti, že chodci mají tendenci sledovat obecný směr pohybu svých sousedů („ Vicsekovo pravidlo “) a takové chování stáda se zvyšuje s tím, jak se zvyšuje takzvaný „panický parametr“. V případě mravenců má být parametr paniky nízký, pokud není použit žádný repelent, a vysoký, pokud je použit repelent.
„Biologicky rozumnější“ model založený na depozici alarmujícího feromonu mravenci ve stresu také reprodukuje fenomén narušení symetrie s výhodou, že také předpovídá experimentální výstup pro různé koncentrace mravenců v buňce.
Feromonový mechanismus sdílí klíčový prvek předchozích modelů: vystresovaní mravenci mají tendenci „následovat dav“.
Mravenci vs. lidé unikající v panice
Ze statistického hlediska se zdá, že se lidské bytosti a mravenci chovají podobným způsobem v určitých scénářích, jako je evakuace z místnosti nebo buňky ve stresu, což má za následek jevy narušující symetrii; zatímco mravenci zvyšují svoji tendenci následovat se navzájem ve stresu, zdá se, že lidské bytosti zapomínají na nouzové evakuační strategie a utíkají ke dveřím, kam většina lidí utíká. Obrovské fyzické a behaviorální rozdíly mezi lidmi a mravenci však znamenají také velké rozdíly v jejich kolektivním chování .
V experimentu narušujícím symetrii na mravencích jsou například jednotlivci relativně „zdvořilí“; zřídka jsou mravenci v procesu evakuace rozdrceni jinými mravenci. Když jsou lidé v panice, jsou však úmrtí způsobená přetlakem nebo udušením běžná, jako v případě katastrofy Love Parade v Německu v roce 2010.
Videa o narušení symetrie unikajících mravenců jsou k dispozici na YouTube.