"Alleen verbinden" -E. Het kernachtige citaat van M. Forster vat een essentieel kenmerk van elke samenleving, mens of dier:de interactiepatronen tussen individuen waaruit collectief gedrag voortkomt. Door een systeem te ontwikkelen dat geautomatiseerde, diepgaande monitoring van de sociale interacties van honingbijen, onderzoekers hebben nu een onverwachte eigenschap van het sociale netwerk van bijen ontdekt die ons op een dag kan helpen om effectievere communicatiesystemen voor mens en machine te ontwerpen.

Het team, waaronder onderzoekers in de informatica, entomologie, natuurkunde, en mechanische wetenschappen en techniek van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign en de Universiteit van Leipzig, beschreef het werk in een nieuwe publicatie in de Proceedings van de National Academy of Sciences . Hun gedragsmonitoringsysteem is ontworpen om te profiteren van recente ontwikkelingen op het gebied van beeldvorming en beeldanalyse. Verrassend genoeg, het onthulde dat een bepaald patroon van sociale interacties, geassocieerd met trage verspreiding van informatie in menselijke gemeenschappen, bleek een snelle verspreiding van informatie onder de bijen mogelijk te maken.

"[Het doel was] om te begrijpen hoe de samenhang van een samenleving te kwantificeren, " zei Illinois Swanlund hoogleraar natuurkunde Nigel Goldenfeld. "Als gasdeeltjes agglomereren om een ​​vloeistof te vormen, dan heb je nieuw gedrag zoals oppervlaktespanning. . . sociale systemen moeten ook opkomende eigenschappen vertonen die beschrijven hoe ze bij elkaar blijven, maar we hebben nog geen goede manier om dit te begrijpen en te kwantificeren." Goldenfeld is ook Biocomplexity Research Theme Leader bij het Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB).

Een manier om een-op-een interactie tussen bijen te documenteren, is door trophallaxis, een gedrag waarbij een bij om voedsel vraagt ​​en haar nestgenoot reageert door een druppel uitgebraakte suikerachtige vloeistof aan te bieden. Op het eerste gezicht, trophallaxis ziet eruit als een bij die een snack pakt, maar deze uitwisseling kan niet alleen rijk zijn aan calorieën, maar ook aan informatie, inclusief chemische signalen die de bij die het voedsel aanbiedt, heeft geproduceerd of van anderen heeft ontvangen.

Deze functie maakt trophallaxis een uitstekend gedrag om te bestuderen, maar het zou voor een menselijke waarnemer bijna onmogelijk zijn om elke gebeurtenis in een kolonie over een langere periode vast te leggen. Tim Gernat, een afgestudeerde student die in de laboratoria van Gene Robinson werkt, Directeur van de IGB en Swanlund hoogleraar Entomologie aan de Universiteit van Illinois, en Leipzig University Professor of Mathematics and Computer Science Martin Middendorf, uiteengezet om een ​​geautomatiseerd systeem te creëren dat precies dat zou kunnen doen.

De experimentele opstelling was een mix van hightech en naturalistische. Kolonies van honingbijen gehuisvest in bijenkasten met glazen wanden werden één keer per seconde gefotografeerd, het opnemen van beelden met de speciaal ontworpen vierkante streepjescode-tag die op de rug van elke bij was geplakt. De resulterende fotogalerij vormde een bijna volledig verslag van de interacties tussen kolonieleden in de loop van meer dan een week. Voor netwerkwetenschappers die geïnteresseerd zijn in sociale interacties, zo'n grondig record voor zo'n grote groep vertegenwoordigt een nieuwe en opwindende kans.

"Ik geloof dat de tijd rijp was voor dit soort werk, "Gernat zei. "Er bestaat printen met hoge resolutie, hoge resolutie camera's bestaan, er bestaan ​​verschillende soorten barcodes. . . wat erg moeilijk was, en nog steeds erg moeilijk, is om het gedrag te volgen."

Gernat en zijn collega's werkten aan het maken en verfijnen van software die waarschijnlijke uitwisselingen van voedsel tussen bijen kon signaleren.

"De grootste technische uitdaging was aan de experimentele kant:het volgen van individuele bijen en het automatisch detecteren van hun interacties, " zei Vikyath Rao, een postdoctoraal onderzoeker in de natuurkunde in Illinois. Toen die uitdaging eenmaal was aangegaan, de groep had een snelle en systematische aanpak voor het genereren van een sociale netwerkdataset die ongeëvenaard is in kwaliteit en omvang.

De reikwijdte van het project gaf de onderzoekers een wiskundig rigoureuze kijk op de verspreiding van informatie binnen een sociaal systeem dat, ondanks de misleidend genoemde koningin, is een leider zonder gedecentraliseerde gemeenschap. Honingbijen coördineren gedrag op groepsniveau door duizenden kleine interacties die voor het menselijk oog willekeurig kunnen lijken; zit er een verborgen patroon in hun ontmoetingen?

Door de timing van interacties tussen bijen te bestuderen, het team ontdekte dat het sociale netwerk van de honingbij een belangrijk kenmerk deelde met menselijke netwerken zoals een glimp van mobiele telefoon of sociale media-activiteit:interacties vonden plaats in een patroon van sporadische trossen en gaten die netwerkwetenschappers omschrijven als 'bursty'.

Deze schijnbare parallel tussen de sociale interacties tussen mensen en bijen verborg een verrassing. Toen de onderzoekers simuleerden hoe snel een stukje informatie (voor bijen, dit kan van alles zijn, van een chemisch signaal tot een ziekteverwekker) kan zich via het netwerk verspreiden, ze ontdekten dat dit snel gebeurde, in tegenstelling tot de langzame verspreiding die wordt gevonden in uitpuilende menselijke netwerken. Deze functie was bestand tegen veranderingen in de koloniedemografie, zelfs opnieuw opduiken in de interactienetwerken van netelroos waaruit veel individuen plotseling waren verwijderd.

"We hebben een netwerkstructuur en we hebben zelforganisatie, verzamelaars en bijenkorfbijen die samenwerken om de functie van de kolonie in stand te houden, " zei Harry Dankowicz, Hoogleraar mechanische wetenschappen en techniek aan de Universiteit van Illinois. "Maar, is er een verband tussen beide? Welke vorm zou het kunnen aannemen en wat kunnen we van dergelijke kennis leren?"

Deze interdisciplinaire samenwerking is een stap in een poging om de geheimen van zelfgeorganiseerde natuurlijke systemen te ontdekken en erdoor geïnspireerd te raken.

"Het project heeft verschillende veelbelovende wegen geopend voor toekomstig werk, te beginnen met het verder onderzoeken van de onderliggende principes die het honingbijnetwerk op zo'n unieke manier laten functioneren, en wat dat zou kunnen betekenen voor menselijke sociale netwerken, ' zei Robinson.