Исследователи из японского Национального института квантовых наук и технологий совместно с коллегами из Университета Рюкю разработали метод визуализации процесса распределения пищи внутри муравьиных колоний в режиме реального времени. В основе технологии лежит принцип позитронно-эмиссионной томографии, аналогичной той, что применяется в медицине для ПЭТ-сканирования. Результаты работы, опубликованные в научном журнале «Scientific Reports», позволяют детально изучить социальную динамику насекомых и могут быть использованы для оценки состояния экосистем.
Для отслеживания питательных веществ ученые применили радиоактивные изотопы, которыми помечали небольшое количество сахара. После того как меченую пищу получала одна особь, система фиксировала ее перемещение и передачу другим членам колонии. Данный подход обеспечивает высокую пространственную и временную точность, позволяя улавливать даже незначительные колебания в потоках ресурсов, что было затруднительно при использовании традиционных красителей или статических снимков.
Технология базируется на регистрации гамма-излучения, возникающего при распаде изотопа. Это дает возможность формировать динамические изображения высокого разрешения, отражающие паттерны распределения пищи на уровне отдельных насекомых. Исследователи получили количественные данные о маршрутах и объемах обмена питательными веществами между десятками особей. Такая детализация необходима для понимания баланса социальных ролей внутри колонии – от фуражиров до тех, кто занимается исключительно уходом за потомством.
Эксперименты выявили высокую вариативность стратегий распределения ресурсов. В некоторых колониях пища быстро распределялась поровну между большинством насекомых, что указывает на эффективные механизмы кооперации. В других случаях наблюдалась локальная концентрация ресурсов у ограниченной группы даже спустя несколько часов после кормления. Подобные различия могут быть обусловлены как иерархической структурой, так и специфическими экологическими факторами.
Авторы работы предложили специальный цифровой индекс для количественной оценки равномерности распределения пищи. Наблюдения показали, что этот показатель может колебаться: ресурсы иногда циркулируют внутри узкого круга особей, не распространяясь на всю группу. По мнению руководителя исследования Нобуо Судзуи, динамика обмена нутриентами служит индикатором здоровья колонии. Любые нарушения в этих процессах могут сигнализировать о ранних стадиях заболеваний, экологическом стрессе или социальной нестабильности сообщества.
Метод радиоактивных маркеров позволяет проводить непрерывный мониторинг различных видов общественных насекомых, включая пчел и термитов. В перспективе технология может быть востребована в биологии вторжений для раннего обнаружения инвазивных видов по аномальным моделям потребления ресурсов. Кроме того, понимание механизмов коллективного поведения насекомых на основе потоков ресурсов помогает в моделировании логистических и коммуникационных сетей.
Практическое применение разработки имеет значение для продовольственной безопасности и сохранения биоразнообразия. Мониторинг состояния колоний насекомых, играющих ключевую роль в опылении и сельском хозяйстве, позволяет своевременно выявлять негативные изменения в экосистемах, вызванные внешними факторами или болезнями. Дальнейшее развитие квантовых методов визуализации в биологии открывает новые возможности для высокоточного контроля за состоянием природной среды.