研究人员揭示了觅食蚂蚁如何找到食物的新认识，它们通过留下信息素轨迹将自己的巢穴与可用的多种食物源连接起来。这个重要的发现促成了第一个模型的开发，该模型解释了蚂蚁如何在面对多个食物位置时创建这些轨迹。
这是一幅常见的景象——蚂蚁在有序的队列中从巢穴出发，穿越障碍物，朝着食物源前进，由侦查者留下的气味轨迹指引着它们的路径。但当这些侦查者发现了丰富的食物源时会发生什么呢？
由佛罗里达州立大学的助理教授布哈戈·卡拉姆切德（Bhargav Karamched）领导的一个团队，发现了觅食蚂蚁寻找食物的重要机制。它们在可用的情况下，会留下连接巢穴和多个食物源的信息素轨迹。这项工作导致了一个开创性模型的创建，该模型解释了多条轨迹的形成。
卡拉姆切德也是FSU分子生物物理研究所的一员，他与音乐艺术管理研究生肖恩·哈特曼（Sean Hartman）在《数学生物学杂志》（Journal of Mathematical Biology）上发表了研究成果《以这种方式走：在多食物源环境中建模觅食蚂蚁动态》（Walk This Way: Modeling Foraging Ant Dynamics in Multiple Food Source Environments），发表于九月。
卡拉姆切德表示：“数学的力量在于它能够生成模型，复制在实验中观察到的数据，并对未来的行为做出可靠的预测。我们的一个关键发现是，当蚂蚁可以访问多种食物源时，它的行为是从为每个食物源形成多条轨迹开始的。”
利用数学建模、分析和计算机模拟，卡拉姆切德研究神经科学和细胞生物学中的挑战。哈特曼于2023年5月在FSU获得数学和音乐的双学士学位，预计将在今年春季完成他的研究生学业。他主动联系卡拉姆切德参与一个定向个体研究（DIS），该项目允许FSU荣誉项目的学生与教师导师进行一对一的研究体验，给哈特曼提供了更深入研究数学建模的机会。
哈特曼解释道：“我一直对数学充满热情，并希望探索在这方面的研究机会。卡拉姆切德博士对蚂蚁轨迹的研究引起了我的兴趣，促使我进一步调查和建模这个引人入胜的课题。”
觅食对蚂蚁巢穴的生存至关重要，蚂蚁通过信息素组织它们的活动。当一只蚂蚁发现食物时，它会释放出化学轨迹，引导其他蚂蚁前往这个发现。通过计算机模拟和随机建模，团队发现，当存在多个食物源时，蚂蚁倾向于朝着离巢穴最近的食物源移动。
卡拉姆切德说：“在我们的研究中，我们将蚂蚁分为两组：觅食者和归巢者。觅食者在寻找食物，而归巢者在找到食物后会直接返回巢穴，因此它们的移动更可预测。这使得能够准确预测它们的行为和目的地。”
研究团队还包括合作者肖恩·瑞安（Shawn Ryan），他是克利夫兰州立大学数学和统计学系的副教授，研究了信息素浓度如何影响蚂蚁行为。它们模型的概率取决于这些化学信号的动态。归巢的蚂蚁会根据食物离巢穴的远近释放较少的信息素。较高的信息素水平会导致更强的气味轨迹，这对远处的食物源尤其重要。
哈特曼说：“一旦我的代码完全通过验证并正常运行，形成多条轨迹变得清晰易懂。看到相等距离的食物源能够维持多条轨迹的平衡是令人兴奋的。然而，如果一个食物源稍微靠近巢穴，蚂蚁最终会合并成一条通往该源的单一路径。在那一刻，感觉我们的努力终于得到了回报。”
本研究中提出的模型旨在简明扼要，并可应用于其他利用信息素进行通信的生物体和生物系统。这包括各种细菌、黏菌、昆虫、鱼类、某些爬行动物及哺乳动物。
卡拉姆切德解释道：“研究这种集体行为的基础始于分析基本的信息素浓度梯度。这种化学信号使生物体能够在较大距离上协调活动，这一过程非常有趣，无论是在微观层面还是在更复杂的物种中。”
