アリの採餌行動を数学で解明—複数の食料源へトレイルを形成する仕組みとは？

この研究成果は、2024年9月12日付で『Journal of Mathematical Biology』に オープンアクセス論文 として掲載された。論文タイトルは 「Walk This Way: Modeling Foraging Ant Dynamics in Multiple Food Source Environments（この道を行け：複数の食料源環境における採餌アリの動態モデリング）」 である。

「数学の力によって、実験的に観察されたデータを再現し、次に何が起こるかを具体的に予測できます。今回の研究では、アリが複数の食料源を持つ場合、最初はすべての食料源に対して複数のトレイルを形成することを発見しました。」とカラムチェド博士は語る。

数学とシミュレーションが明かすアリの行動戦略

カラムチェド博士は、数学的モデリングや解析、コンピュータシミュレーションを用いて、神経科学や細胞生物学に関連する問題を解決する研究を行っている。本研究は、フロリダ州立大学の音楽芸術管理学科の大学院生 ショーン・ハートマン（Sean Hartman） との共同研究である。ハートマンは2023年にFSUの数学科と音楽学部で学士号を取得し、2024年春には修士課程を修了予定だ。

「数学研究に取り組みたいという思いはずっと持っていましたが、実際に数学を用いた研究に関わる機会はありませんでした。カラムチェド博士が紹介してくれたアリのトレイル研究に興味を持ち、さらに深く掘り下げたいと思ったのが、本研究に参加したきっかけです」とハートマンは語る。

アリの採餌（フォレージング）は、コロニーの存続に不可欠なプロセスである。アリは 化学フェロモン を活用して自律的に行動し、食料源を発見すると、フェロモントレイルを残して仲間に位置を伝える。本研究では、確率的モデリング（stochastic modeling） や 偏微分方程式（partial-differential equations, PDE） のシミュレーションを用いて、アリの行動パターンを詳細に解析した。

最も近い食料源への収束現象

研究チームの解析によると、アリの群れは最初、巣から すべての食料源へと複数のトレイルを作る。しかし時間が経過すると、アリは 最も近い食料源へのトレイルを強化し、それ以外のトレイルを消滅させる 傾向があることが判明した。

「今回の研究では、アリを 採餌者（foragers） と 帰巣者（returners） の2つのサブグループに分けて考えました」とカラムチェド博士は説明する。「採餌者はランダムに動き回って食料を探しますが、帰巣者は食料を見つけた後、確実に巣へ戻ります。帰巣者の動きはランダム性が少ないため、その行動を 100% の確率で予測する ことができます。」

また、帰巣者が分泌するフェロモン濃度は、食料源が巣に近いほど 少なく、遠いほど 多く なることが分かった。これは、遠くにある食料源へのトレイルがより強いフェロモンの匂いを必要とするためである。

数理モデルで見えた「複数のトレイル形成」

「コードを最適化し、シミュレーションが正しく動作するようになったとき、複数の食料源が同じ距離にあると、複数のトレイルが均衡状態で維持される ことが明確になりました。しかし、ほんのわずかでも片方の食料源が近い場合、最終的にはその 最も近い食料源への単一トレイル に収束するのです。」とハートマンは振り返る。「この瞬間こそ、私たちの研究の努力が報われたと実感しました。」

汎用性の高いモデル—微生物から哺乳類まで

今回開発された数理モデルは、アリだけでなく フェロモンを利用する他の生物 にも適用可能である。例えば、細菌、粘菌（slime molds）、他の昆虫、魚類、爬虫類、さらには一部の哺乳類 も、フェロモンを利用して集合行動をとる。

「この集団行動の解析の鍵となるのは、フェロモン濃度の勾配を基にした基本的な数理フレームワークです。」とカラムチェド博士は語る。「微生物レベルから複雑な生物に至るまで、この化学シグナルを用いたコミュニケーションは、広大な空間スケールで個体の協調行動を可能にします。その仕組みを数学的に解明するのは非常に興味深いことです。」

[News release] [Journal of Mathematical Biology article]