'이쪽으로 걸어가세요': 개미가 다양한 식량원으로 이어지는 길을 만드는 방법

흔히 볼 수 있는 광경입니다. 개미들이 둥지에서 먹이 공급원까지 장애물을 넘고 돌아다니며 질서 있게 행진하는 모습인데, 정찰병들이 발견물을 표시한 냄새 흔적을 따라갑니다. 하지만 정찰병들이 먹을 수 있는 모광을 발견하면 어떻게 될까요?

수학 조교수인 바르가브 카람체드가 이끄는 플로리다 주립대 연구진은 먹이를 찾는 개미가 먹이가 있을 때 개미 집단과 여러 먹이원을 연결하는 페로몬 흔적을 남긴다는 사실을 발견했습니다. 이를 통해 여러 먹이원으로 이어지는 흔적이 형성되는 현상을 설명하는 최초의 모델을 만들어냈습니다.

플로리다 주립대 분자 생물물리학 연구소의 교수이기도 한 카람체드와 음악 예술 경영학 대학원생인 숀 하트먼은 9월에 수학 생물학 저널에 "이렇게 걸어라: 여러 식량원 환경에서의 먹이 찾기 개미 역학 모델링"이라는 제목의 논문을 발표했습니다.

"수학의 힘은 실험적으로 관찰된 데이터를 재생산하고 다음에 무슨 일이 일어날지에 대한 구체적인 예측을 할 수 있는 모델을 고안할 수 있다는 것입니다." 카람체드가 말했다. "이 경우, 우리는 다른 모델에서는 잘 설명되지 않은 것을 발견했습니다. 개미가 둥지에서 여러 식량원에 접근할 수 있다면, 처음에는 각 식량원까지 여러 개의 길을 만들 것입니다."

Karamched는 신경 과학 및 세포 생물학의 문제를 이해하고 해결하기 위해 모델링, 수학적 분석 및 컴퓨터 시뮬레이션을 사용합니다. 2023년 5월 FSU 수학과 음악 대학에서 이중 학사 학위를 취득하고 이번 봄에 대학원 과정을 마칠 예정인 Hartman은 Karamched에게 DIS(Directed Individual Study) 지원을 요청했습니다. DIS는 FSU의 Honors Program에 있는 학생들이 개방형 실습 연구 경험에서 교수 멘토와 일대일로 작업할 수 있게 해주며 Hartman이 수학적 모델링에 더 많이 참여할 수 있게 해줍니다.

하트먼은 "저는 수학에 대한 연구를 하고 싶었습니다. 평생 수학에 관심이 있었지만 지금까지 수학 기반 연구에 참여할 기회가 없었습니다."라고 말했습니다. "저는 카람체드 박사가 저에게 공유해 주신 개미 길 연구에 흥미를 느꼈고, 이에 대한 추가 연구를 진행하고 이전 연구를 기반으로 모델을 만드는 데 관심을 갖게 되었습니다."

자원을 찾는 것은 개미 집단의 일상 생활에 필수적인 과정이며, 개미는 화학 페로몬을 사용하여 스스로 조직화합니다. 개미가 식량원을 감지하면 다른 개미를 그 근원으로 이끄는 화학적 흔적을 분비합니다. 연구자들은 식량을 찾는 개미의 계산 시뮬레이션, 확률적 모델링 및 편미분 방정식 시스템을 사용하여 시간이 지남에 따라 개미는 여러 근원이 있는 환경에서 둥지에서 가장 짧은 거리에 있는 식량원으로 선택적으로 이동한다는 것을 관찰했습니다.

"이 연구를 위해 우리는 개미를 포리저와 리턴어의 두 하위 집단으로 나누었습니다." 카람체드가 말했습니다. "이 하위 집단은 다르게 행동합니다. 포리저는 먹이를 찾아 돌아다니는 경향이 있는 반면 리턴어는 항상 먹이를 찾은 후 둥지로 바로 돌아와서 움직임이 덜 확률적이거나 무작위적입니다. 이를 통해 우리는 개미가 무엇을 하고 있는지 또는 어디로 갈지 100% 확실하게 예측할 수 있습니다."

클리블랜드 주립 대학의 수학과 통계학과 조교수인 공동 연구자 숀 라이언을 포함한 팀은 개미가 분비하는 화학 페로몬의 농도를 고려했습니다. 이 농도는 다른 개미에게 음식이 있는 곳을 알려줍니다. 모델의 확률은 이러한 페로몬의 역학에 기반했습니다. 돌아온 개미는 음식 공급원이 둥지와 얼마나 가까운지에 따라 페로몬을 덜 분비했습니다. 페로몬이 많을수록 개미가 따라갈 수 있는 향이 강해졌고, 이는 음식 공급원이 둥지에서 멀리 떨어져 있을 때 중요한 요소입니다.

"제 코드가 완전히 테스트되고 정확해지자 여러 개의 트레일 형성이 뚜렷해지고 쉽게 이해할 수 있게 되었습니다." 하트먼이 말했습니다. "등거리 식량원이 어떻게 여러 개의 식량원을 평형 상태로 유지할 수 있는지 보는 것은 정말 멋졌습니다. 한 식량원이 개미 둥지에 조금 더 가까우면 개미는 결국 가장 가까운 식량원으로 가는 단일 트레일을 형성할 것입니다. 이 순간이 우리의 모든 노고가 마침내 보답을 받았다고 느낀 순간이었습니다."

본 논문의 모델은 페로몬을 의사소통 수단으로 사용하는 박테리아, 점균, 다른 곤충, 물고기, 심지어 일부 파충류와 포유류를 포함하여 다른 유기체와 생물학적 시스템에 적용 가능하고 간단하게 설계되었습니다.

"이 집단 행동을 분석하기 위한 프레임워크는 기본적인 페로몬 농도 기울기에 있으며, 거기서부터 작업합니다." 카람체드가 말했습니다. "미생물 수준에서 복잡한 유기체에 이르기까지, 이 화학적 신호를 사용하여 의사소통하면 특정 유기체가 거대한 공간적 규모에서 활동을 조정할 수 있는데, 이는 매우 흥미롭습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241116195633.htm