定量データから迫るアリの社会的行動
阿部 真人
理化学研究所 革新知能統合研究センター (AIP)
2021/9/29
行動学とスーパーコンピューターに関するシンポジウム

自己紹介
阿部真人

理化学研究所 革新知能統合研究センター(AIP)
認知行動支援技術チーム 研究員

専門分野

数理生物学・複雑系科学・行動学・ネットワーク科学

対象

東京駅

脳・個体行動・集団行動・社会・生態系・適応性・自律性・頑健性

生命を生命たらしめる法則や力学を明らかにしたい。

行動を理解する動物の基本的な特徴は動くこと

x(t), y(t), z(t) の時間発展・ダイナミクス

De Motu Animalium(Movement of Animals)

動物個体＝エージェント
アリストテレス(紀元前4世紀)

基本的な問い・実際どのように動いているのか？ −観測と数理モデリング・どのように動くのが最適なのか？ −最適化（自然選択による適応進化）
・どのようなメカニズムで動いているのか？

定量的な観測によって自然界のエージェントを理解する

統計物理・ロボティクス・社会科学などとの分野横断的な研究領域に
Pics from wikipedia, Vicsek and Zafeiris (2012)

Recent advances
野外環境でのバイオロギング（GPS, 加速度計, etc.)

・比較的大型の生物
・広範囲のデータ
・人が行けない場所でもFehlmann and King ( 2016, Curr. Biol.)Recent advances
実験室でのトラッキング（画像解析）
・小型の生物・実験が可能
・狭い範囲
Dell et al. (2014, Trends in Ecol Evol)

Pereira et al. (2020)

Mathis et al. (2018, Nature Neuroscience)集団行動

要素間の相互作用を通した集団行動は細胞から人まで生命現象に広く見られる
Collective minds

Couzin (2007)

Vicsek and Zafeiris (2012)

動物の集団行動：秩序だった群れの場合
鳥・魚の群れ- 高い秩序、高い相関- 天敵回避 (i.e., many eyes effect）
Golden shiner(Tunstrom et al., 2013)starling(Cavagna et al., 2010)(Attanasi et al., 2014)

動物の集団行動：秩序だった群れの場合
鳥・魚の群れの数理モデル (Couzin et al. 2002)

・近づく、向きを揃える、離れるのルールだけで現実に似たパターンが現れる
・他にも多数のモデルがある- Boid model (Reynolds 1987)- Vicsek model (Vicsek et al. 1995)
・局所的な相互作用だけにもとづいた自己組織化
・個体レベルのルールから集団レベルのパターンの創発

自己組織化ではない例

動物の集団行動：秩序だった群れの場合
Q. なぜ群れるのか？
Ward et al. (2011)

正確さ

Gambusia affinis

グループサイズ

グループサイズが増加すると意思決定の速度と正確さが増加
グループサイズ

天敵回避の効果動物の集団行動：社会性昆虫
社会性昆虫…アリ・ハチ・シロアリ
コロニーで生活している
Antroom

繁殖分業
女王（1〜少数匹）

ワーカー（数十〜10万匹）

コロニーは血縁個体から構成されているワーカーの労働分業
多細胞生物のアナロジーとしても捉えられる採餌(巣外)

育児(巣内)

年齢

動物の集団行動：社会性昆虫
社会性昆虫…アリ・ハチ・シロアリ
コロニーで生活している
Antroom

特にアリは ・1億年ほど前にハチと分岐し・熱帯から冷帯、砂漠・草原・森林といった陸上に生息・生物量はすべての脊椎動物を合わせた量に匹敵
・世界では1万種、日本では280種

地球上で成功した生物種の1つ

動物の集団行動：社会性昆虫
アリのイカダ、粘性の高い液体

ミツバチの熱殺蜂球

Garnier et al. 2013

Wave (shimmering)
シロアリの建築

社会性昆虫の餌探索
蟻コロニー最適化（Ant Colony Optimization; ACO)
・餌を見つけたら地面にフェロモンを塗って帰ってくる・他の個体はフェロモンに追従する・フェロモンは蒸発する。
長い経路は蒸発しやすい

餌場までの最短ルートの発見

・たまにランダムにフェロモンに追従しないことで探索

Dorigo and Stützle (2004); Shiraishi et al. (2019, J Theor Biol)社会性昆虫の協同運搬
アリの荷物運搬 Feinerman et al. (2018, Nature Physics)

・一時的なリーダー
・力の相殺を最小に・グループサイズが大きくなると巣まで真っ直ぐ

アリの行列アリの行列は渋滞しない John et al. (2009, PRL)

渋滞相

Chowdhury et al. (2000)

・スピードがほぼ一定
・アリ間距離が保たれる

アリの単独の探索行動
知らない場所に置いて1匹置いてどのように移動するか

Composite Brownian walks(様々な生物種にみられるLévy walkにはなっていない)
Schultheiss and Cheng (2011, Anim Behav)

巣内の行動Pinter-Wollman et al., (2011, J Roy Soc Interface)

Mersch et al. (2013, Science)

相互作用に注目してネットワーク解析

社会ネットワーク
巣の入り口付近での接触ネットワーク

Pinter-Wollman et al., (2011, J Roy Soc Interface)

ハブ個体 (接触が極端に多い）がいる

Skewed個体がもつinteraction数

半分に伝
わる
までの時
間・伝達がはやい・接触が少ない
効率のよいネットワーク形状

社会ネットワーク
巣全体での接触ネットワーク

役割ごとにモジュールに

Mersch et al. (2013, Science)社会ネットワーク
空間構造がネットワークを規定する

Mersch et al. (2013, Science)社会ネットワーク
密な社会では、病気の蔓延は重大な危機

Stroeymeyt et al. (2018, Science)

ネットワーク構造の変化

ネットワーク構造が感染を広げないような形状に変化
ある種のソーシャルディスタンス
一部の個体を感染させる実験社会ネットワーク
Shimoji, Abe et al. (2014, J Roy Soc Interface)

・沖縄産トゲオオハリアリ
・働きアリも子供を産むポテンシャルがある
・女王が警察行動（パトロール）する
・勝手に卵を産むと、周りからフルボッコにされる・コロニーが大きくなると順位関係によって産卵が抑制される
順位行動（噛み付く・ひっぱる）順位行動

上位

ヒエラルキー構造協力行動
アミメアリにおける公共財のジレンマ

協力個体の巣Dobata and Tsuji (2013, PNAS)

非協力個体の巣

非協力個体

協力個体
皆が産卵できる

卵の数は少ないが世話されている

Social cancer とも呼ばれる
タスマニアデビルの感染する癌と同じ卵の数が多いが、世話されてない
ポシャる！

働かないアリ・働かない個体がいる・働かない個体を集めると一部が働き者に(Prigogine 1983, 本田賞受賞講演)

仕事をする確率・反応閾値モデル (Bonabeau et al. 1996)
・仕事を始める刺激量がある
・閾値にばらつきがある

刺激長谷川英祐（2010）

働かないアリ
3日間の観測, 誰が何してるか？
誰が何をしているか？

Fujioka, Okada, Abe (2021, Roy Soc Open Sci)

・ネスト構造はなく・モジュール構造になっている

・3日間で取り組む仕事は一貫している
・働かないアリグループを検出Fujioka, Okada, Abe (in prep.)

門番
マイナーワーカー

・ワーカー間で形態的に異なる・巣穴の数に対して過剰にメジャーワーカーが存在

メジャーワーカー

ヒラズオオアリ

個体識別
人工巣

いつ誰が門番しているかを観察
Fujioka, Abe, Okada (2019, Ethology)

門番

一部のメジャーワーカーが門番をしていた
Fujioka, Abe, Okada (2019, Ethology)

概日リズム

活動量（cm/min）

単独時

沖縄産トゲオオハリアリ(Diacamma sp.)

全暗条件

活動非活動

01000

2000

3000

4000

5000

(min)

活動・非活動の２４時間周期のリズム
概日リズム(Fujioka, Abe et al., 2017, Biology Letters)概日リズム
活動量

単独条件

幼虫

30004000(min)5000

活動量 (cm/min)

200001000

2000

3000

4000

5000

01000

2000

3000

4000

5000

(min)

活動量 (cm/min)

卵

10000

休んでいる時間がなくなる ＝ 常時活動(min)(Fujioka, Abe et al., 2017, Biology Letters)概日リズム
活動量

単独条件

0

さなぎとペア条件

1000

2000

30004000(min)5000

活動量 (cm/min)

活動非活動
0

1000

2000

30004000

蛹は繭に包まれているため世話があまり必要ないことが関連している

5000(min)

子の成長段階や世話の必要性に応じて活動性変化(Fujioka, Abe et al., 2017, Biology Letters)概日リズムコロニー丸ごとの概日リズムは？

セットアップについては阿部, 藤岡（2017）

・タグトラッキング(BugTag, Robiotec 社)
・9コロニー (size: 88-194匹)(Fujioka, Abe et al., 2021, J. Biol. Rhythms)

概日リズム・コロニー条件では概日リズムを示さない
・複雑な社会的相互作用で調整されている(Fujioka, Abe et al., 2021, J. Biol. Rhythms)

短いリズム単独…不規則でカオス的

time (×0.5min)

集団…約20分周期

Cole (1991, Proc Roy Soc B)

time (×0.5min)

Activity =・約17分周期が現れることがある
・機能は不明・他の研究では接触も約20分周期(Richardson et al. 2017, Plos Comput Biol)
Abe et al. (in prep.)まとめ & 今後やりたいこと・アリの大規模データが得られる- 巣外の行動- 社会ネットワーク- 誰が何をしているか- 概日リズム、短期リズム

・大規模データから行動と相互作用ルールの抽出- 移動だけでなく何をしているか- コロニーとしての情報処理能・アリモデルを作りたい
・自己組織化の大規模なシミュレーション- 多くのパラメータ- 長い時間スケール（進化）

105個体

104個体

(Ikegami et al. 2017)

Thank you for your attention!