活性物质理论解释火蚁群体行为

蚂蚁是活性火蚁社会性昆虫，被称为火蚁的物质Solenopsisinvicta物种也不例外。这种来自南美洲的理论入侵昆虫的社会互动是在活性物质理论的背景下构建的，这可以将蚂蚁的解释群体行为解释为对系统内在机制的反应。这是群体UB物理学院的研究人员AlbertoFernández-Nieves和CalebAnderson以及佐治亚理工学院（美国）的GuillermoGoldsztein发表在《科学进展》杂志上的文章的结论之一。

该研究表明，活性火蚁密度对于蚂蚁经历活动周期和经历昆虫群集体移动的物质时期至关重要。在高密度条件下，理论当蚂蚁群落被组织成一个垂直柱体时，解释这些活动周期以一种令人惊讶的群体方式显示出来，从而产生向上传播的活性火蚁活动波。

火蚁作为物理模型

火蚁是物质一种具有高繁殖和传播能力的膜翅目动物，已被用作研究高密度活动系统的理论参考模型。在不同的解释条件下，蚂蚁集体经历所谓的群体活动周期：蚂蚁群体从许多蚂蚁静止不动的情况到几乎所有蚂蚁都在移动的情况来回变化。

“在实验室研究致密的活性系统并非易事。从物理学的角度来看，蚂蚁被认为是利用化学能移动的活性粒子。它们可以很容易地集中起来，形成一个致密的集体，我们可以用它来解决活性物质问题，”凝聚态物理系和UB复杂系统研究所(UBICS)的ICREA教授AlbertoFernández-Nieves指出。

具体而言，活性物质基于可以自我推进的粒子，因此，由于局部能量消耗而移动，这与原子或胶体系统不同，原子或胶体系统的成分因温度而移动。

从社会吸引力到集体行为

活性物质中出现两种大的行为：第一种是转变为粒子组向同一方向移动的状态（集体模式），这种行为通常与鸟群和鱼群有关。当粒子的运动性随着它们的对分离距离而降低时，另一个表现出来。在这种情况下，随着粒子越来越近，它们停止移动，这一结果可以理解为它们之间的吸引力。在某些条件下，这种吸引力会导致聚集体的形成，并且在某些情况下，会导致静止蚂蚁形成的相与移动蚂蚁形成的相分离。

根据这项研究，密度对于蚂蚁集体在这些行为之间发生变化至关重要。“密度较低时，我们观察到的阶段与社会吸引力有关，”作者说。“只有当密度足够高时，才会看到集体运动阶段的变化。这解释了为什么波浪总是在密度较高的蚂蚁柱底部附近产生。”

该研究表明，蚂蚁的社会吸引力——即它们的相互作用——可以解释为一种诱导现象，这是由于蚂蚁与蚂蚁分离导致的运动能力下降。然而，在高密度时，这种吸引力消失，蚂蚁群落采用集体模式，导致活动波向上传播。

“这些密度和活动波反映了所有蚂蚁移动的活动周期状态对应于一个集体阶段，这类似于所描述的有组织阶段，例如，在鸟群、鱼群或群体中（成群或成群的动物，”专家指出。

蚂蚁在环境中的集体模式

在自然界中，可以看到火蚁在不同条件下的集体模式。这些来自降雨和洪水丰富地区的昆虫已经进化到通过这些活动周期来克服这些极端事件。

“为了在这些现象中生存下来，火蚁建造了筏子，所有的个体都聚集在一起；因此，筏子的密度很高。根据以前的研究，当它们在筏子里时，蚂蚁会经历不活跃的时期，筏子是圆形的，而其他的则有更多的运动。在最后一种情况下，筏子的形状的特征是形成了手指状的集体突起，”作者指出。

在不活动期间，木筏会表现为弹性固体，有助于抵抗被雨水冲走的物体的冲击。同时，手指状形状的形成，让蚂蚁能够寻找坚实的地面。如果它们找到了，它们就会迁徙到陆地上，如果没有，它们就会再次聚集在一起，不时地继续这些循环，直到它们找到为止。

“因此，我们认为涉及手指形成的运动周期类似于我们在实验中观察到的集体模式，它会在垂直列中产生蚂蚁波，”作者总结道。

活性物质和非平衡系统

蚂蚁聚集状态的变化对材料特性有影响。作者解释说，在之前的研究中，他们“发现机械特性会根据蚂蚁集体的状态发生巨大变化。在吸引力主导的阶段，行为类似于弹性固体的行为。相比之下，在活跃阶段，社区在粒子水平上重新组织自己，有点像液体一样流动。”

“如果作为一种活性材料进行分析，蚂蚁群落可以通过改变它们的活动来改变机械行为。在材料科学中，这通常是通过改变材料的结构来实现的。以蚂蚁为例，这可以通过远离平衡而发生。固体到液体的转变是使系统失去平衡并提醒活性物质粒子活动的内部机制的结果。没有相关的结构变化；密集的蚂蚁群落总是杂乱无章。这种行为让我们想起了电影终结者中的角色，他自发地从液体变成固体。从这个意义上说，尽管电影中的终结者很复杂，但它也是活跃的母体，”研究人员总结道。