Исследование: Муравьи создают устойчивые туннели в гнездах, точно так же, как люди, играющие в джинга.

Муравьи — удивительные землекопы, строящие сложные многоярусные гнезда, соединенные сложной сетью туннелей, иногда достигающих глубины до 25 футов. Теперь команда ученых из Калифорнийского технологического института использовала рентгеновские снимки, чтобы запечатлеть процесс, как муравьи строят свои туннели. Ученые обнаружили, что муравьи эволюционировали, чтобы интуитивно ощущать частицы зерна, которые они могут удалять, сохраняя при этом структуру стабильной, точно так же, как удаление отдельных блоков в игре. Дженга. Команда описала свою работу на новая бумага Опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ученые, интересующиеся коллективным поведением, изучают муравьев на протяжении десятилетий. Это потому, что муравьи, как группа, ведут себя как некоторая форма гранулированной среды. Немногочисленные муравьи, расположенные на расстоянии, ведут себя так же хорошо, как отдельные муравьи. но Упакуйте их в достаточном количестве Тесно вместе и работая как одно целое, они проявляют твердые и жидкие свойства. Вы можете, например, изливать огненных муравьев из чайника, или муравьи могут соединяться вместе, чтобы построить плавучие башни или плоты. Муравьи могут быть маленькими существами с маленьким мозгом, но эти социальные насекомые способны Организуйте себя коллективно В высокоэффективном сообществе для обеспечения выживания колонии.

Несколько лет назадПоведенческий биолог Гай Тераолас из Института перспективных исследований в Тулузе, Франция, и несколько коллег объединили лабораторные эксперименты с аргентинскими муравьями и компьютерным моделированием, чтобы Определите три простых правила Контроль поведения муравьев при рытье туннелей. Для интеллекта: (1) муравьи собирают зерна с постоянной скоростью (примерно 2 зерна в минуту); (ii) Муравьи предпочитают сбрасывать свои зерна рядом с другими зернами, чтобы сформировать шлейфы; и (3) муравьи обычно выбирают зерна, помеченные химическим феромоном, после того, как с ними расправились другие муравьи. Тераолаза и другие. Он построил компьютерную симуляцию на основе этих трех правил и обнаружил, что через неделю виртуальные муравьи построили структуру, очень похожую на настоящие муравьиные гнезда. Они пришли к выводу, что эти правила возникают из локальных взаимодействий между отдельными муравьями, без необходимости централизованной координации.

Недавно бумага 2020 я нашел это социальная динамика Разделение труда возникает в колонии муравьев аналогично тому, как политическая поляризация развивается в социальных сетях людей. Муравьи также преуспевают в регулировании собственного транспортного потока. а Исследование 2018 Группа Дэниела Голдмана из Технологического института Джорджии исследовала, как огненные муравьи могут улучшить работу по прокладке туннелей, не вызывая пробок. как и мы Я упоминал в то времяГруппа пришла к выводу, что когда муравей встречает туннель, по которому уже бегают другие муравьи, он отступает, чтобы найти другой туннель. И только небольшая часть колонии копает одновременно: 30 процентов из них делают 70 процентов работы.

Группа биологического передвижения Дэвида Хо в Технологическом институте Джорджии также изучала огненных муравьев. в 2019 году Он и его коллеги сообщили Огненные муравьи могли активно ощущать изменения сил, действующих на их плавучий плот. Муравьи распознают разные условия течения жидкости и могут соответствующим образом адаптировать свое поведение, чтобы поддерживать устойчивость плота. Весло, движущееся по речной воде, создаст серию водоворотов (известных как выпадающий водоворот), заставляя плоты муравьев вращаться. Эти вихри также могут оказывать на плот дополнительные силы, достаточные для его разрушения. Изменения как центробежных сил, так и поперечных сил, действующих на плот, очень малы — возможно, от 2 до 3 процентов от нормальной гравитационной силы. Однако каким-то образом муравьи могут чувствовать эти небольшие изменения своим телом.

Эта последняя статья посвящена западным муравьям-сборщикам (Погономирмекс западный), был выбран из-за его высокой способности проникать в зерна почвы в миллиметровом масштабе. Соавтор Хосе Андраде, инженер-механик из Калифорнийского технологического института, был вдохновлен исследовать туннельных муравьев, увидев примеры Муравьиное гнездо арт. Кусочки создаются путем заливки расплавленного металла, гипса или цемента в муравейник, который течет через все туннели и в конечном итоге затвердевает. Затем удаляется окружающая почва, чтобы обнажить окончательную сложную структуру. Андраде был настолько впечатлен, что начал задаваться вопросом, действительно ли муравьи «умеют» раскапывать эти строения.

Андраде сотрудничал с биоинженером Калифорнийского технологического института Джо Паркером над проектом; Исследования Паркера сосредоточены на экологических отношениях муравьев с другими видами. «Мы не брали интервью у муравьев, чтобы спросить, знают ли они, что делают, но мы начали с предположения, что они копали сознательно», Андраде сказал. «Мы предположили, что муравьи играли Дженга. «

Другими словами, исследователи подозревали, что муравьи бродят по почве в поисках рыхлых зерен, которые нужно удалить, так же, как люди ищут рыхлые комки, чтобы удалить их из почвы. Дженга револьверную головку, оставив на месте критические несущие детали. Эти блоки являются частью так называемой «силовой цепи», которая скрепляет блоки (или зернистые частицы почвы, в случае муравейника) вместе, создавая стабильную структуру.

Для своих экспериментов Андраде и его коллеги смешали 500 мл почвы коекрета с 20 мл воды и поместили смесь в несколько небольших чашек почвы. Размер чашек был выбран исходя из того, насколько легко они помещаются в компьютерный томограф. Методом проб и ошибок — начиная с одного муравья и постепенно увеличивая количество — исследователи определили количество муравьев, необходимое для достижения оптимальной скорости копания: 15.

Команде требовалось четыре с половиной минуты каждые 10 минут, пока муравьи копали туннель, чтобы следить за своим продвижением. Из полученных трехмерных изображений они создали «цифровой глиф» каждой части образца, фиксируя форму, положение и ориентацию каждого зерна — все это может сильно повлиять на распределение сил в образцах почвы. Исследователи также смогли узнать порядок, в котором каждая бусинка была удалена муравьями, сравнив изображения, сделанные в разных состояниях во времени.

Муравьи не всегда соглашались, когда дело дошло до серьезного рытья туннелей. « Их как бы имитируют » Андраде сказал. «Они копают, когда захотят. Мы помещали этих муравьев в контейнер, и некоторые сразу же начинали копать, и они добивались такого удивительного прогресса. Но другие — на это уйдут часы, а копать совсем не будет. а потом остановись и отдохни ».

Андраде и Паркер в своем анализе отмечают некоторые новые закономерности. Например, муравьи обычно роются по внутренним краям чашек — эффективная стратегия, поскольку стороны чашек могут быть частью конструкции туннелей, что позволяет муравьям немного сэкономить. Муравьи также предпочитали прямые линии своих туннелей — метод, повышающий эффективность. Муравьи старались копать свои туннели как можно сильнее. Насколько это возможно в зернистой среде, такой как почва, называется «угол покоя»; Превышите этот угол, и конструкция рухнет. Каким-то образом муравьи могут почувствовать этот критический порог, следя за тем, чтобы их туннели не выходили за пределы угла покоя.

Что касается фундаментальной физики, команда обнаружила, что, когда муравьи удаляли зерна почвы, чтобы рыть свои туннели, силовые цепи, действующие на структуру, перестраивались из случайного распределения, образуя своего рода лайнер вокруг внешнего туннеля. Это перераспределение сил укрепляет существующие стенки туннеля и снижает давление, которое зерна оказывают в конце туннеля, облегчая муравьям удаление этих зерен для дальнейшего расширения туннеля.

«Как в инженерии, так и в экологии муравьев было загадкой, как муравьи строят эти сооружения, построенные десятилетиями», — сказал он. Паркер сказал. «Оказывается, удаляя зерно в этом паттерне, который мы наблюдали, муравьи используют преимущества этих океанических силовых цепей, когда зарываются в землю». Муравьи давят на отдельные зерна, чтобы оценить действующие на них механические силы.

Паркер считает, что это своего рода алгоритм поведения. Этот алгоритм не существует внутри одного муравья. Он сказал. «Это зарождающееся колониальное поведение всех этих рабочих, которые ведут себя как суперорганизмы. То, как эта поведенческая программа распространяется через микромозг всех этих муравьев, — одно из чудес естественного мира, которому у нас нет объяснения».

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