ВПЕРВЫЕ УВИДЕНА ОДНА-ЕДИНСТВЕННАЯ КАПЛЯ МУРАВЬИНОГО ФЕРОМОНА

Найдя пищу, муравей Lasius niger возвращается домой и оставляет за собой пахучий след. Он опускает брюшко к земле и выделяет крошечные капельки феромона — химического сигнала, который приводит его соседей по гнезду к источнику. Такие тропы были описаны ещё в 1779 году. Они стали хрестоматийной моделью самоорганизации и вдохновили целое семейство компьютерных методов — муравьиные алгоритмы оптимизации.

Капля, которую никто не видел

Тем не менее основную единицу тропы никто никогда не наблюдал. Исследователи судят о силе тропы по интенсивности муравьиного движения или по поведению при мечении и предполагают, что все капли одинаковы. Объём одной метки, скорость её испарения, реальная концентрация естественной тропы — всё это было неизвестно. Не был установлен даже растворитель, из которого состоит бо́льшая часть капли.

Лор-Анн Пуассонье, Пьер Бон и их коллеги из института XLIM (CNRS и Университет Лиможа) решили увидеть эти капли напрямую.

Взвесить каплю светом

Муравьи Lasius niger происходили из колонии, основанной самкой, собранной в Тулузе в 2020 году. После нескольких дней без пищи рабочих особей выпускали на подвешенный стеклянный мостик длиной 57 миллиметров, на дальнем конце которого была сахарная вода.

Метки прозрачны, поэтому команда применила количественную фазовую визуализацию (quantitative phase imaging) — интерферометрический метод, измеряющий, насколько прозрачный объект задерживает проходящий через него свет. Если задать показатель преломления, эта задержка даёт локальную толщину с точностью около 20%. Без красителей, без контакта. Сначала камера снимала фиксированный участок мостика со скоростью до 250 кадров в секунду; затем микроскоп с моторизованным столиком сканировал весь мостик.

Жидкость, которая исчезает, и твёрдое вещество, которое остаётся

Первые капли удалось заснять вживую, в момент выхода из брюшка. Они были жидкими. Одна уменьшилась с 0,4 до 0,15 пиколитра примерно за 120 миллисекунд. Другая, вчетверо больше, уменьшилась с 1,7 до 0,4 пиколитра с постоянной времени 11 секунд. Пиколитр — это триллионная доля литра.

Остаётся плоское твёрдое пятно шириной около 80 микрометров и толщиной всего от десятков до сотен нанометров. За час с лишним наблюдения под микроскопом одно такое пятно медленно потеряло около 10% объёма с постоянной времени 63 минуты — это близко к тому, сколько, как известно, остаются активными тропы Lasius niger. Через 24 часа на месте всё ещё был твёрдый осадок.

Авторы видят здесь три компонента:

растворитель, составляющий бо́льшую часть капли и испаряющийся за секунды, — его упускают обычные химические анализы, которые собирают след уже после;
твёрдое вещество, которое медленно сублимирует, то есть переходит прямо в газ. Авторы предполагают, что это изокумарин — молекула, которая, как известно, заставляет этих муравьёв следовать по тропе;
стабильный осадок, который может служить удерживающей матрицей и сохранять запах на месте.

Если всё сублимировавшее вещество одной метки — изокумарин, то это около 26 пикограммов, или 110 миллиардов молекул, выпущенных в воздух.

Наблюдать за муравьём недостаточно

Обычно исследователи считают капли, следя за характерным изгибом брюшка. Команда снимала муравьёв сверху и сбоку, а затем сканировала мостик. У одного типичного муравья было замечено 7 поз мечения: 6 совпали с реальной меткой, а одна не соответствовала ничему, даже при поиске с повышенной чувствительностью. Поведение — полезный, но несовершенный индикатор.

Двух одинаковых капель не бывает

Затем последовал главный сюрприз. У пяти муравьёв метки различались формой, площадью и объёмом:

медианная площадь: 4300 квадратных микрометров, с десятикратным разбросом;
медианный объём: 0,68 пиколитра, от менее 0,2 до более 4 — более чем в 20 раз;
круглые или грушевидные, в зависимости от того, как муравей тащил брюшко.

Статистическая модель приписала около 90% разброса различиям между отдельными муравьями. Распространённое допущение об одинаковых метках неверно — по крайней мере, для этого вида.

Специалисты по тропам?

Если эти индивидуальные различия устойчивы во времени, некоторые рабочие особи могут играть непропорционально большую роль в прокладке троп. Авторы хотят заложить измеренные значения в модели коллективного поведения и алгоритмы оптимизации, а также выяснить, какое наименьшее количество феромона способен уловить муравей. Помимо чистой биологии, они указывают на практическое значение: приманки против инвазивных муравьёв используют вербовку, которую запускают тропы, а феромоны всё шире применяются в сельском хозяйстве как точечная альтернатива пестицидам.