"Anslut bara" - E. M. Forsters pittiga citat fångar ett väsentligt inslag i alla samhällen, människa eller djur:mönstren för interaktioner mellan individer ur vilka kollektiva beteenden uppstår. Genom att utveckla ett system som möjliggör automatiserade, fördjupad övervakning av honungens sociala interaktioner, forskare har nu avslöjat en oväntad egenskap hos be sociala nätverk som en dag kan hjälpa oss att designa effektivare kommunikationssystem för människor och maskiner.

Laget, som inkluderade forskare inom datavetenskap, entomologi, fysik, och mekanisk vetenskap och teknik från University of Illinois vid Urbana-Champaign och Leipzig University, beskrev arbetet i en ny publikation i Förfaranden från National Academy of Sciences . Deras beteendeövervakningssystem var utformat för att dra nytta av de senaste framstegen inom avbildning och bildanalys. Förvånande, det avslöjade att ett särskilt mönster av sociala interaktioner, i samband med långsam spridning av information i mänskliga samhällen, verkade möjliggöra snabb spridning av information bland bina.

"[Syftet var] att förstå hur man kvantifierar ett samhälles sammanhållning, "sade Illinois Swanlund professor i fysik Nigel Goldenfeld." Om gaspartiklar agglomererar för att bilda en vätska, då har du nytt beteende som ytspänning. . . sociala system bör också uppvisa framväxande egenskaper som beskriver hur de håller ihop, men vi har inte ett bra sätt att förstå och kvantifiera detta ännu. "Goldenfeld är också tematledare för biokomplexitet forskning vid Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB).

Ett sätt att dokumentera en-mot-en-interaktion mellan bin är att upptäcka trophallaxis, ett beteende där ett bi begär mat och hennes nestkamrat svarar genom att bjuda på en droppe uppstötad sockerhaltig vätska. Vid första ögonkastet, trophallaxis ser ut som ett bi som tar ett mellanmål, men denna utbyte kan vara rik inte bara på kalorier utan också information, inklusive kemiska signaler som biet som erbjuder maten har producerat eller fått från andra.

Denna funktion gör trophallaxis till ett utmärkt beteende att studera, men det skulle vara nästan omöjligt för en mänsklig observatör att dokumentera varje händelse i en koloni under en längre tid. Tim Gernat, en doktorand som arbetar i laboratorierna hos Gene Robinson, Direktör för IGB och Swanlund professor i entomologi vid University of Illinois, och professor i matematik och datavetenskap vid Leipzig University Martin Middendorf, bestämde sig för att skapa ett automatiserat system som skulle kunna göra just det.

Den experimentella uppsättningen var en blandning av högteknologiskt och naturalistiskt. Kolonier av honungsbin inrymda i glasväggiga bikupor fotograferades en gång per sekund, inspelning av bilder som inkluderade den specialdesignade fyrkantiga streckkodstaggen limmad på varje bi rygg. Det resulterande fotogalleriet bildade ett nästan fullständigt register över interaktionerna mellan kolonimedlemmar under mer än en vecka. För nätverksforskare som är intresserade av sociala interaktioner, ett så grundligt rekord för en så stor grupp representerar en ny och spännande möjlighet.

"Jag tror att tiden var rätt för denna typ av arbete, "Sa Gernat." Utskrift med hög upplösning finns, det finns högupplösta kameror, det finns olika typer av streckkoder. . . det som var väldigt svårt, och är fortfarande mycket svårt, är att spåra beteendet. "

Gernat och hans kollegor arbetade med att skapa och förfina programvara som kan flagga troliga livsmedelsutbyten mellan bin.

"Den största tekniska utmaningen var på den experimentella sidan - att spåra enskilda bin och automatiskt upptäcka deras interaktioner, "sa Vikyath Rao, en postdoktor i fysik i Illinois. När utmaningen väl möttes, gruppen hade ett snabbt och systematiskt tillvägagångssätt för att skapa en datauppsättning för sociala nätverk utan motstycke i kvalitet och storlek.

Projektets omfattning tillät forskarna en matematiskt noggrann titt på spridningen av information inom ett socialt system som, trots den vilseledande namngivna drottningen, är ledare, decentraliserat samhälle. Honungsbin samordnar beteende på gruppnivå genom tusentals små interaktioner som kan verka slumpmässiga för det mänskliga ögat; finns det ett dolt mönster för deras möten?

Genom att studera tidpunkten för interaktioner mellan bin, teamet fann att honungsbins sociala nätverk delade en nyckelfunktion med mänskliga nätverk som skymtas från mobiltelefon eller sociala medier:interaktioner uppstod i ett mönster av sporadiska klasar och luckor som nätverksforskare beskriver som "bursty".

Denna uppenbara parallell mellan mänskliga och bi sociala interaktioner dolde en överraskning. När forskarna simulerade hur snabbt en bit information (för bin, detta kan vara allt från en kemisk signal till en sjukdomsframkallande patogen) kan spridas genom nätverket, de fann att detta skedde snabbt, till skillnad från den långsamma spridningen som finns i brusande mänskliga nätverk. Denna funktion var robust för förändringar i kolonidemografi, till och med återuppstår i interaktionsnätverk av bikupor från vilka många individer plötsligt hade tagits bort.

"Vi har en nätverksstruktur och vi har självorganisation, jordbrukare och bikupor som arbetar tillsammans för att upprätthålla kolonins funktion, sa Harry Dankowicz, Professor i mekanisk vetenskap och teknik vid University of Illinois. "Men, finns det ett samband mellan de två? Vilken form kan den ha och vad kan vi lära oss av sådan kunskap? "

Detta tvärvetenskapliga samarbete är ett steg i ett försök att avslöja och inspireras av hemligheterna i självorganiserade natursystem.

"Projektet har öppnat flera lovande vägar för framtida arbete, börjar med att utforska de underliggande principerna som får honungsbinätverket att fungera på ett så unikt sätt, och vad det kan betyda för mänskliga sociala nätverk, "Sa Robinson.