Badanie: Mrówki tworzą stabilne tunele w gniazdach, tak jak ludzie grający w jinga

Mrówki są niesamowitymi kopaczami, budującymi skomplikowane wielopoziomowe gniazda połączone skomplikowaną siecią tuneli, czasami sięgających do głębokości 25 stóp. Teraz zespół naukowców z Kalifornijskiego Instytutu Technologii wykorzystał obrazowanie rentgenowskie do uchwycenia procesu budowania tuneli przez mrówki. Naukowcy odkryli, że mrówki wyewoluowały, aby intuicyjnie wyczuwać cząsteczki ziarna, które mogą usuwać, utrzymując strukturę stabilną, podobnie jak usuwanie pojedynczych bloków w grze. Jenga. Zespół opisał swoją pracę na nowy papier Opublikowane w Proceedings of National Academy of Sciences.

Naukowcy zainteresowani zachowaniem zbiorowym badają mrówki od dziesięcioleci. Dzieje się tak, ponieważ mrówki, jako grupa, zachowują się jak pewna forma ziarnistych mediów. Niewiele mrówek w przestrzeni zachowuje się tak dobrze, jak pojedyncze mrówki. ale Spakuj ich wystarczająco dużo Ściśle ze sobą połączone i pracując jako jeden zespół, wykazują właściwości stałe i płynne. Możesz na przykład wylać mrówki ogniste z czajnika lub połączyć je, aby zbudować pływające wieże lub tratwy. Mrówki mogą być małymi stworzeniami z małymi mózgami, ale te owady społeczne są zdolne do: Organizuj się zbiorowo W wysoce wydajnej społeczności, aby zapewnić przetrwanie kolonii.

Kilka lat temuBiolog behawioralny Teraolaza faceta z Institute for Advanced Studies w Tuluzie we Francji i kilku kolegów połączyło eksperymenty laboratoryjne z mrówkami argentyńskimi i modelowanie komputerowe w celu Zdefiniuj trzy proste zasady Kontrolowanie zachowania mrówek w kopaniu tuneli. Dla inteligencji: (1) mrówki zbierają ziarna w stałym tempie (około 2 ziarna na minutę); (ii) Mrówki wolą zrzucać swoje ziarna w pobliżu innych ziaren, tworząc pióropusze; oraz (3) mrówki zwykle wybierają ziarna oznaczone feromonem chemicznym po tym, jak poradziły sobie z nimi inne mrówki. Teraolaza i inni. Zbudował symulację komputerową opartą na tych trzech zasadach i odkrył, że po tygodniu wirtualne mrówki zbudowały strukturę bardzo podobną do prawdziwych mrowisk. Dochodzą do wniosku, że reguły te wynikają z lokalnych interakcji między poszczególnymi mrówkami, bez potrzeby centralnej koordynacji.

Ostatnio a papier 2020 znalazłem to dynamika społeczna Sposób, w jaki pojawia się podział pracy w kolonii mrówek, jest podobny do tego, jak rozwija się polaryzacja polityczna w ludzkich sieciach społecznych. Mrówki doskonale sprawdzają się również w regulowaniu własnego przepływu ruchu. a Studium 2018 Grupa Daniela Goldmana z Georgia Tech zbadała, w jaki sposób mrówki ogniste mogą usprawnić pracę w tunelach bez powodowania korków. tak jak my Wspomniałem wtedy, grupa doszła do wniosku, że gdy mrówka napotka tunel, w którym biegną już inne mrówki, wycofuje się, aby znaleźć inny tunel. I tylko niewielka część kolonii kopie w jednym czasie: 30 procent z nich wykonuje 70 procent pracy.

Biologiczna grupa lokomocyjna Davida Ho w Georgia Tech również badała mrówki ogniste. w 2019 roku, On i jego koledzy donosili Że mrówki ogniste mogą aktywnie odczuwać zmiany sił działających na ich pływającą tratwę. Mrówki rozpoznają różne warunki przepływu płynu i mogą odpowiednio dostosować swoje zachowanie, aby tratwa była stabilna. Wiosło poruszające się w wodzie rzeki stworzy serię wirów (znanych jako wir zrzucający), powodując, że tratwy mrówek wirują. Te wiry mogą również wywierać na tratwę dodatkowe siły, wystarczające do jej rozerwania. Zmiany zarówno sił odśrodkowych, jak i sił ścinających działających na tratwę są bardzo małe – może od 2 do 3 procent normalnej siły grawitacji. Jednak w jakiś sposób mrówki mogą wyczuć te drobne zmiany w swoich ciałach.

Ten ostatni artykuł koncentruje się na zachodnich mrówkach harwesterowych (Pogonomyrmex occidentalis), został wybrany ze względu na jego płodną zdolność do wbijania się w ziarna gleby w skali milimetrowej. Współautor Jose Andrade, inżynier mechanik w Caltech, został zainspirowany do zbadania tuneli mrówek po obejrzeniu przykładów Sztuka gniazda mrówki. Kawałki powstają przez wlanie jakiegoś rodzaju stopionego metalu, gipsu lub cementu do kopca mrówek, który przepływa przez wszystkie tunele i ostatecznie zestala się. Otaczająca gleba jest następnie usuwana, aby odsłonić ostateczną złożoną strukturę. Andrade był pod takim wrażeniem, że zaczął się zastanawiać, czy mrówki naprawdę „wiedzą”, jak wykopać te struktury.

Andrade współpracował przy projekcie z bioinżynierem Caltech Joe Parkerem; Badania Parkera skupiają się na ekologicznych relacjach mrówek z innymi gatunkami. „Nie przeprowadzaliśmy wywiadów z żadną mrówką, aby zapytać, czy wiedzą, co robią, ale zaczęliśmy od założenia, że ​​kopią w sposób celowy”. Andrade powiedział. „Założyliśmy, że mrówki mogły się bawić Jenga. „

Innymi słowy, naukowcy podejrzewali, że mrówki wędrują po glebie w poszukiwaniu luźnych ziaren do usunięcia, w taki sam sposób, w jaki ludzie szukają luźnych kęp, aby je usunąć. Jenga wieżyczka, pozostawiając krytyczne elementy łożyska na miejscu. Bloki te są częścią tak zwanego „łańcucha sił”, który blokuje bloki (lub ziarniste cząstki gleby, w przypadku mrowiska), tworząc stabilną strukturę.

Do swoich eksperymentów Andrade i jego koledzy zmieszali 500 ml ziemi koekretowej z 20 ml wody i umieścili mieszaninę w kilku małych kubkach ziemi. Rozmiar miseczek został dobrany ze względu na to, jak łatwo można je zmieścić w tomografie komputerowym. Metodą prób i błędów – zaczynając od jednej mrówki i stopniowo zwiększając liczbę – naukowcy określili liczbę mrówek potrzebną do osiągnięcia optymalnego tempa kopania: 15.

Zespół zajmował cztery i pół minuty co 10 minut, podczas gdy mrówki kopały tunel, aby monitorować swoje postępy. Na podstawie powstałych obrazów 3D stworzyli „cyfrowy awatar” dla każdej części w próbce, rejestrując kształt, położenie i orientację każdego ziarna – wszystko to może mieć duży wpływ na rozkład sił w próbkach gleby. Naukowcy byli również w stanie dowiedzieć się, w jakiej kolejności mrówki usuwały każdą kulkę, porównując zdjęcia wykonane w różnych stanach w czasie.

Mrówki nie zawsze współpracowały, jeśli chodziło o poważne kopanie tuneli. „Są trochę naśladowani” Andrade powiedział. „Kopią, kiedy chcą. Umieściliśmy te mrówki w pojemniku, a niektóre zaczęłyby kopać od razu, a oni zrobiliby ten niesamowity postęp. Ale inne – zajęłoby to godziny i wcale nie kopali. Niektórzy kopaliby dla chwilę, a potem zatrzymaj się i odpocznij”.

Andrade i Parker odnotowują w swojej analizie pewne pojawiające się wzorce. Na przykład mrówki zwykle zagrzebują się wzdłuż wewnętrznych krawędzi kubków – skuteczna strategia, ponieważ boki kubków mogą być częścią struktury tuneli, oszczędzając mrówkom trochę wysiłku. Mrówki preferowały również proste linie tuneli, technikę, która poprawia wydajność. Mrówki starały się kopać swoje tunele tak mocno, jak to możliwe. O ile to możliwe w ziarnistym podłożu, jakim jest gleba, nazywa się „kątem spoczynku”; Przekroczyć ten kąt, a struktura się zawali. W jakiś sposób mrówki wyczuwają ten krytyczny próg, upewniając się, że ich tunele nie wychodzą poza kąt spoczynku.

Jeśli chodzi o fizykę podstawową, zespół odkrył, że gdy mrówki usuwały ziarna gleby, aby wykopać tunele, łańcuchy sił oddziałujące na strukturę przeorganizowały się z losowego rozkładu, tworząc rodzaj wykładziny wokół zewnętrznego tunelu. Ta redystrybucja sił wzmacnia istniejące ściany tunelu i zmniejsza nacisk, jaki ziarna wywierają na końcu tunelu, ułatwiając mrówkom usunięcie tych ziaren w celu dalszego rozszerzenia tunelu.

„Zagadką jest zarówno inżynieria, jak i ekologia mrówek, w jaki sposób mrówki budują te dziesiątki lat struktury” – powiedział. Parker powiedział. „Okazuje się, że usuwając ziarno w obserwowany przez nas wzorzec, mrówki wykorzystują łańcuchy sił oceanicznych podczas zakopywania się”. Mrówki naciskają na poszczególne ziarna, aby ocenić wywierane na nie siły mechaniczne.

Parker uważa, że ​​to rodzaj algorytmu behawioralnego. Ten algorytm nie istnieje w jednej mrówce. Powiedział. „To rodzące się zachowanie kolonii wszystkich tych robotnic, które zachowują się jak superorganizmy. Sposób, w jaki ten program behawioralny rozprzestrzenia się w mikromózgach wszystkich tych mrówek, jest jednym z cudów świata przyrody, dla którego nie mamy wyjaśnienia”.

DOI: PNAS, 2021. 10.1073/pnas.2102267118 (O DOI).