Ræk ud og fodre nogen:Automatiseret system finder hurtige honningbi-kommunikationsnetværk

"Forbind kun" - E. M. Forsters pittige citat fanger et væsentligt træk ved ethvert samfund, menneske eller dyr:de mønstre af interaktioner mellem individer, hvoraf kollektiv adfærd opstår. Ved at udvikle et system, der tillader automatiseret, dybdegående overvågning af honningbiers sociale interaktioner, forskere har nu afsløret en uventet egenskab ved biens sociale netværk, der en dag kan hjælpe os med at designe mere effektive kommunikationssystemer for mennesker og maskiner.

Holdet, som omfattede forskere i datalogi, entomologi, fysik, og mekanisk videnskab og teknik fra University of Illinois i Urbana-Champaign og Leipzig University, beskrev arbejdet i en ny publikation i Proceedings of the National Academy of Sciences . Deres adfærdsovervågningssystem blev designet til at drage fordel af de seneste fremskridt inden for billeddannelse og billedanalyse. Overraskende nok, det afslørede, at et bestemt mønster af sociale interaktioner, forbundet med langsom spredning af information i menneskelige samfund, syntes at give mulighed for hurtig spredning af information blandt bierne.

"[Målet var] at forstå, hvordan man kan kvantificere sammenhængen i et samfund, " sagde Illinois Swanlund professor i fysik Nigel Goldenfeld. "Hvis gaspartikler agglomererer og danner en væske, så har du ny adfærd såsom overfladespænding . . . sociale systemer bør også udvise emergent egenskaber, der beskriver, hvordan de holder sammen, men vi har ikke en god måde at forstå og kvantificere dette på endnu." Goldenfeld er også Biocomplexity Research Theme Leader ved Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB).

En måde at dokumentere en-til-en interaktion mellem bier er at spotte trophallaxis, en adfærd, hvor en bi beder om mad, og hendes redekammerat reagerer ved at tilbyde en dråbe opstødt sukkerholdig væske. Ved første øjekast, trophallaxis ligner en bi, der snupper en snack, men denne udveksling kan være rig ikke kun på kalorier, men også information, herunder kemiske signaler, som bien, der tilbyder maden, har produceret eller modtaget fra andre.

Denne funktion gør trophallaxis til en vigtig adfærd at studere, men det ville være næsten umuligt for en menneskelig observatør at dokumentere enhver hændelse i en koloni over en længere periode. Tim Gernat, en kandidatstuderende, der arbejder i Gene Robinsons laboratorier, direktør for IGB og Swanlund professor i entomologi ved University of Illinois, og Leipzig Universitetsprofessor i matematik og datalogi Martin Middendorf, satte sig for at skabe et automatiseret system, der kunne gøre netop det.

Den eksperimentelle opsætning var en blanding af det højteknologiske og det naturalistiske. Kolonier af honningbier i bistader med glasvægge blev fotograferet en gang i sekundet, optagelse af billeder, der inkluderede det specialdesignede firkantede stregkodemærke, der var limet på hver bis ryg. Det resulterende fotogalleri dannede en næsten fuldstændig registrering af interaktionerne mellem kolonimedlemmer i løbet af mere end en uge. For netværksforskere, der er interesseret i sociale interaktioner, sådan en grundig rekord for så stor en gruppe repræsenterer en ny og spændende mulighed.

"Jeg tror, ​​tiden var inde til denne form for arbejde, " sagde Gernat. "Der findes udskrivning i høj opløsning, høj opløsning kameraer findes, Der findes forskellige slags stregkoder. . . hvad var meget svært, og det er stadig meget svært, er at spore adfærden."

Gernat og hans kolleger arbejdede på at skabe og forfine software, der kunne markere sandsynlige udvekslinger af fødevarer mellem bier.

"Den største tekniske udfordring var på den eksperimentelle side - sporing af individuelle bier og automatisk registrering af deres interaktioner, " sagde Vikyath Rao, en postdoc-forsker i fysik ved Illinois. Da udfordringen blev taget op, gruppen havde en hurtig og systematisk tilgang til at generere et socialt netværksdatasæt uden sidestykke i dets kvalitet og størrelse.

Projektets omfang tillod forskerne et matematisk strengt kig på spredningen af ​​information inden for et socialt system, trods den vildledende navngivne dronning, er en lederløs, decentraliseret samfund. Honningbier koordinerer adfærd på gruppeniveau gennem tusindvis af små interaktioner, der kan virke tilfældige for det menneskelige øje; er der et skjult mønster i deres møder?

Ved at studere timingen af ​​interaktioner mellem bier, holdet fandt ud af, at det sociale netværk af honningbier delte en nøglefunktion med menneskelige netværk, set fra aktivitet på mobiltelefoner eller sociale medier:interaktioner fandt sted i et mønster af sporadiske bundter og huller, som netværksforskere beskriver som "sprængt".

Denne tilsyneladende parallel mellem menneskelige og bi sociale interaktioner skjulte en overraskelse. Da forskerne simulerede, hvor hurtigt et stykke information (for bier, dette kan være alt fra et kemisk signal til et sygdomsfremkaldende patogen) kan spredes gennem netværket, de fandt ud af, at dette skete hurtigt, i modsætning til den langsomme spredning, der findes i sprængfyldte menneskelige netværk. Denne funktion var robust over for ændringer i kolonidemografi, endda genopstået i interaktionsnetværket af bistader, hvorfra mange individer pludselig var blevet fjernet.

"Vi har netværksstruktur og vi har selvorganisering, foderhøstere og bikubebier arbejder sammen for at opretholde koloniens funktion, " sagde Harry Dankowicz, Professor i Mekanisk Videnskab og Teknik ved University of Illinois. "Men, er der en sammenhæng mellem de to? Hvilken form kan det tage, og hvad kan vi lære af sådan viden?"

Dette tværfaglige samarbejde er et skridt i bestræbelserne på at afdække og blive inspireret af hemmelighederne bag selvorganiserede naturlige systemer.

"Projektet har åbnet flere lovende muligheder for fremtidigt arbejde, begyndende med at udforske yderligere de underliggende principper, der får honningbi-netværket til at fungere på en så unik måde, og hvad det kan betyde for menneskelige sociale netværk, " sagde Robinson.