نخستین نگاه به یک قطره فرومون مورچه
وقتی مورچه‌ای از گونه Lasius niger غذا پیدا می‌کند، به سوی لانه برمی‌گردد و ردی بویایی پشت سر خود می‌گذارد. شکمش را به زمین نزدیک می‌کند و قطره‌های ریزی از فرومون برجا می‌گذارد؛ پیامی شیمیایی که هم‌لانه‌هایش را به منبع غذا راهنمایی می‌کند. چنین ردهایی از سال 1779 توصیف شده‌اند. آن‌ها به نمونه درسی خودسازمان‌دهی (self-organisation) تبدیل شده‌اند و الهام‌بخش خانواده کاملی از روش‌های رایانه‌ای، یعنی الگوریتم‌های بهینه‌سازی کلونی مورچه‌ها، بوده‌اند.
قطره‌ای که هیچ‌کس ندیده بود
با این حال واحد پایه رد هرگز مشاهده نشده بود. پژوهشگران قدرت یک رد را از رفت‌وآمد مورچه‌ها یا از رفتار قطره‌گذاری استنباط می‌کنند و فرض می‌کنند که همه قطره‌ها یکسان‌اند. حجم یک قطره، سرعت تبخیر آن، غلظت واقعی یک رد طبیعی: هیچ‌کدام معلوم نبود. حتی حلّالی که بیشتر حجم قطره را تشکیل می‌دهد هرگز شناسایی نشده بود.
لور-آن پواسونیه، پیر بون و همکارانشان در مؤسسه XLIM (مرکز ملی پژوهش علمی فرانسه، CNRS، و دانشگاه لیموژ) بر آن شدند که این قطره‌ها را مستقیم ببینند.
وزن کردن قطره با نور
مورچه‌های Lasius niger از کلونی‌ای می‌آمدند که ملکه‌ای جمع‌آوری‌شده در تولوز در سال 2020 بنیان گذاشته بود. پس از چند روز بی‌غذایی، کارگرها را روی یک پل شیشه‌ای معلق به طول 57 میلی‌متر رها کردند که در انتهای آن آب‌قند بود.
قطره‌ها شفاف‌اند، پس تیم از تصویربرداری فاز کمّی (quantitative phase imaging) استفاده کرد: روشی تداخل‌سنجی که اندازه می‌گیرد یک جسم شفاف نورِ گذرنده از خود را چقدر به تأخیر می‌اندازد. با فرض یک ضریب شکست، این تأخیر ضخامت موضعی را با دقت حدود 20% به دست می‌دهد. بدون رنگ، بدون تماس. دوربین نخست از بخش ثابتی از پل با سرعت تا 250 تصویر در ثانیه فیلم گرفت؛ سپس میکروسکوپی با صفحه موتوری سراسر پل را پویش کرد.
مایعی که ناپدید می‌شود، جامدی که می‌ماند
نخستین قطره‌ها زنده، درست هنگام خروج از شکم، ثبت شدند. مایع بودند. یکی در حدود 120 میلی‌ثانیه از 0.4 به 0.15 پیکولیتر رسید. دیگری، چهار برابر بزرگ‌تر، با ثابت زمانی 11 ثانیه از 1.7 به 0.4 پیکولیتر رسید. یک پیکولیتر یک تریلیونیم لیتر است.
آنچه می‌ماند لکه‌ای جامد و تخت به پهنای حدود 80 میکرومتر و با ضخامتی تنها ده‌ها تا صدها نانومتر است. یکی از این لکه‌ها که بیش از یک ساعت زیر میکروسکوپ دنبال شد، به‌آرامی حدود 10% از حجمش را با ثابت زمانی 63 دقیقه از دست داد؛ نزدیک به مدتی که ردهای Lasius niger فعال می‌مانند. پس از 24 ساعت هنوز یک پسماند جامد آنجا بود.
نویسندگان این را سه جزء تفسیر می‌کنند:
- یک حلّال که بیشتر قطره را تشکیل می‌دهد و در چند ثانیه تبخیر می‌شود؛ چیزی که تحلیل‌های شیمیایی معمول، که رد را بعداً جمع می‌کنند، از دست می‌دهند؛
- جامدی که به‌آرامی تصعید می‌شود، یعنی مستقیم به گاز تبدیل می‌شود. آن‌ها ایزوکومارین را پیشنهاد می‌کنند، مولکولی که شناخته‌شده است این مورچه‌ها را به دنبال کردن رد وامی‌دارد؛
- یک پسماند پایدار که شاید مانند ماتریسی نگه‌دارنده عمل کند و بو را در جای خود نگه دارد.
اگر همه ماده تصعیدشده در یک قطره ایزوکومارین باشد، مقدار آن حدود 26 پیکوگرم است، یعنی 110 میلیارد مولکول که در هوا رها می‌شوند.
تماشای مورچه کافی نیست
پژوهشگران معمولاً قطره‌ها را با دیدن خم شدن مشخص شکم می‌شمارند. تیم از بالا و از پهلو از مورچه‌ها فیلم گرفت، سپس پل را پویش کرد. در یک مورچه نمونه، 7 حالت قطره‌گذاری دیده شد: 6 مورد با یک قطره واقعی منطبق بود و یکی با هیچ چیز منطبق نبود، حتی وقتی با حساسیت بیشتر جست‌وجو شد. این رفتار شاخصی سودمند اما ناقص است.
هیچ دو قطره‌ای یکسان نیست
سپس بزرگ‌ترین شگفتی رخ داد. در پنج مورچه، قطره‌ها از نظر شکل، مساحت و حجم با هم فرق داشتند:
- میانه مساحت: 4,300 میکرومتر مربع، با تغییری ده‌برابری؛
- میانه حجم: 0.68 پیکولیتر، از کمتر از 0.2 تا بیش از 4؛ یعنی بیش از 20 برابر؛
- گرد یا گلابی‌شکل، بسته به اینکه مورچه شکمش را چگونه روی سطح کشیده باشد.
یک مدل آماری حدود 90% از این تغییرات را به تفاوت میان تک‌تک مورچه‌ها نسبت داد. فرض رایج یکسان بودن قطره‌ها، دست‌کم در این گونه، نادرست است.
متخصصان رد؟
اگر این تفاوت‌های فردی در طول زمان پایدار باشند، شاید برخی کارگرها نقشی بسیار بزرگ‌تر از سهم خود در ساختن ردها داشته باشند. نویسندگان می‌خواهند این مقادیر اندازه‌گیری‌شده را وارد مدل‌های رفتار جمعی و الگوریتم‌های بهینه‌سازی کنند و کمترین مقداری را که یک مورچه می‌تواند حس کند بیابند. فراتر از زیست‌شناسی محض، به اهمیت کاربردی آن اشاره می‌کنند: طعمه‌های ضد مورچه‌های مهاجم از فراخوانی‌ای بهره می‌برند که ردها راه می‌اندازند، و فرومون‌ها روزبه‌روز بیشتر در کشاورزی به‌عنوان جایگزین‌های هدفمند آفت‌کش‌ها به کار می‌روند.