Μελέτη: Τα μυρμήγκια δημιουργούν σταθερές σήραγγες στις φωλιές, όπως και οι άνθρωποι που παίζουν jinga

Τα μυρμήγκια είναι εκπληκτικά σκαπτικά, κατασκευάζοντας περίτεχνες φωλιές πολλαπλών επιπέδων που συνδέονται με ένα περίπλοκο δίκτυο τούνελ, φτάνοντας μερικές φορές σε βάθη έως και 25 πόδια. Τώρα, μια ομάδα επιστημόνων από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας χρησιμοποίησε απεικόνιση με ακτίνες Χ για να καταγράψει τη διαδικασία του πώς τα μυρμήγκια κατασκευάζουν τις σήραγγές τους. Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι τα μυρμήγκια έχουν εξελιχθεί για να διαισθηθούν διαισθητικά σωματίδια σιτηρών που μπορούν να αφαιρέσουν διατηρώντας τη δομή σταθερή, όπως ακριβώς αφαιρούν μεμονωμένα μπλοκ σε ένα παιχνίδι. jengaΕ Η ομάδα περιέγραψε τη δουλειά της στο νέο χαρτί Δημοσιεύτηκε στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών.

Επιστήμονες που ενδιαφέρονται για τη συλλογική συμπεριφορά μελετούν τα μυρμήγκια εδώ και δεκαετίες. Αυτό συμβαίνει επειδή τα μυρμήγκια, ως ομάδα, συμπεριφέρονται σαν κάποια μορφή κοκκωδών μέσων. Λίγα μυρμήγκια σε απόσταση συμπεριφέρονται τόσο καλά όσο και μεμονωμένα μυρμήγκια. αλλά Συσκευάστε αρκετά από αυτά Στενά μαζί και λειτουργώντας ως μία μονάδα, εμφανίζουν στερεές και υγρές ιδιότητες. Μπορείτε να ρίξετε μυρμήγκια από μια τσαγιέρα, για παράδειγμα, ή τα μυρμήγκια μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους για να χτίσουν πλωτούς πύργους ή σχεδίες. Τα μυρμήγκια μπορεί να είναι μικρά πλάσματα με μικρό εγκέφαλο, αλλά αυτά τα κοινωνικά έντομα είναι ικανά Οργανώνονται συλλογικά Σε μια εξαιρετικά αποδοτική κοινότητα για να εξασφαλιστεί η επιβίωση της αποικίας.

Πριν από αρκετά χρόνιαΣυμπεριφορικός βιολόγος Guy Theraolase από το Ινστιτούτο Προηγμένων Σπουδών στην Τουλούζη, Γαλλία, και αρκετοί συνάδελφοι συνδύασαν εργαστηριακά πειράματα με Αργεντίνικα μυρμήγκια και μοντελοποίηση υπολογιστών προκειμένου να Καθορίστε τρεις απλούς κανόνες Έλεγχος της συμπεριφοράς των μυρμηγκιών στην εκσκαφή σηράγγων. Για νοημοσύνη: (1) τα μυρμήγκια μαζεύουν σιτηρά με σταθερό ρυθμό (περίπου 2 κόκκοι κάθε λεπτό). (ii) Τα μυρμήγκια προτιμούν να ρίχνουν τους κόκκους τους κοντά σε άλλους κόκκους για να σχηματίσουν λοβούς. και (3) τα μυρμήγκια συνήθως επιλέγουν κόκκους που φέρουν χημική φερομόνη αφού τα έχουν αντιμετωπίσει άλλα μυρμήγκια. Θεραολάση και άλλοιΕ Κατασκεύασε μια προσομοίωση υπολογιστή με βάση αυτούς τους τρεις κανόνες και διαπίστωσε ότι μετά από μια εβδομάδα, τα εικονικά μυρμήγκια είχαν κατασκευάσει μια δομή πολύ παρόμοια με τις πραγματικές φωλιές μυρμηγκιών. Καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι αυτοί οι κανόνες προκύπτουν από τις τοπικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ μεμονωμένων μυρμηγκιών, χωρίς την ανάγκη κεντρικού συντονισμού.

Πρόσφατα, α χαρτί 2020 βρήκα αυτό κοινωνική δυναμική Το πώς προκύπτει ο καταμερισμός εργασίας σε μια αποικία μυρμηγκιών είναι παρόμοιο με το πώς αναπτύσσεται η πολιτική πόλωση στα ανθρώπινα κοινωνικά δίκτυα. Τα μυρμήγκια υπερέχουν επίσης στη ρύθμιση της δικής τους ροής κυκλοφορίας. ένα Μελέτη 2018 Από την ομάδα του Daniel Goldman στη Georgia Tech ερεύνησαν πώς τα μυρμήγκια πυρκαγιάς μπορούν να βελτιώσουν τις προσπάθειες σήραγγας χωρίς να προκαλέσουν μποτιλιάρισμα. όπως είμαστε Ανέφερα εκείνη την εποχή, η ομάδα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι όταν ένα μυρμήγκι συναντά μια σήραγγα στην οποία τρέχουν ήδη άλλα μυρμήγκια, υποχωρεί για να βρει ένα άλλο τούνελ. Και μόνο ένα μικρό μέρος της αποικίας σκάβει κάθε φορά: το 30 τοις εκατό από αυτούς κάνουν το 70 τοις εκατό της εργασίας.

Η ομάδα βιολογικής μετακίνησης του David Ho στη Georgia Tech μελέτησε επίσης μυρμήγκια πυρκαγιάς. το 2019, Ο ίδιος και οι συνεργάτες του ανέφεραν Ότι τα μυρμήγκια της φωτιάς μπορούσαν να αισθανθούν ενεργά τις αλλαγές στις δυνάμεις που δρουν στην πλωτή σχεδία τους. Τα μυρμήγκια αναγνωρίζουν διαφορετικές συνθήκες ροής υγρού και μπορούν να προσαρμόσουν ανάλογα τη συμπεριφορά τους για να διατηρήσουν τη σχεδία σταθερή. Ένα κουπί που κινείται μέσα από το νερό του ποταμού θα δημιουργήσει μια σειρά από υδρομασάζ (γνωστή ως ρίψη δίνης), προκαλώντας την περιστροφή των σχεδίων των μυρμηγκιών. Αυτές οι δίνες μπορούν επίσης να ασκήσουν επιπρόσθετες δυνάμεις στη σχεδία, αρκετά για να το διαλύσουν. Οι αλλαγές τόσο στις φυγόκεντρες όσο και στις δυνάμεις διάτμησης που δρουν στη σχεδία είναι πολύ μικρές – ίσως 2 % έως 3 % της κανονικής βαρυτικής δύναμης. Ωστόσο, με κάποιο τρόπο, τα μυρμήγκια μπορούν να αισθανθούν αυτές τις μικρές μετατοπίσεις με το σώμα τους.

Αυτό το τελευταίο έγγραφο επικεντρώνεται στα δυτικά μυρμήγκια συγκομιδής (Pogonomyrmex occidentalis), επιλέχθηκε λόγω της γόνιμης ικανότητάς του να σκάβει σε σπόρους εδάφους σε κλίμακα χιλιοστών. Ο συν-συγγραφέας Jose Andrade, μηχανικός μηχανικός στο Caltech, εμπνεύστηκε να εξερευνήσει μυρμήγκια σήραγγας αφού είδε παραδείγματα Τέχνη φωλιάς μυρμηγκιών. Τα κομμάτια δημιουργούνται ρίχνοντας ένα είδος λιωμένου μετάλλου, γύψου ή τσιμέντου στον τύμβο μυρμηγκιών, το οποίο ρέει μέσα από όλες τις σήραγγες και τελικά στερεοποιείται. Το περιβάλλον χώμα αφαιρείται στη συνέχεια για να αποκαλυφθεί η τελική σύνθετη δομή. Ο Andrade εντυπωσιάστηκε τόσο πολύ που άρχισε να αναρωτιέται αν τα μυρμήγκια πραγματικά “ξέρουν” πώς να σκάψουν αυτές τις δομές.

Ο Andrade συνεργάστηκε με τον βιομηχανικό Caltech Joe Parker στο έργο. Η έρευνα του Parker επικεντρώνεται στις οικολογικές σχέσεις των μυρμηγκιών με άλλα είδη. «Δεν πήραμε συνέντευξη από κανένα μυρμήγκι για να ρωτήσουμε αν ήξεραν τι έκαναν, αλλά ξεκινήσαμε με την προϋπόθεση ότι έσκαβαν με σκόπιμο τρόπο». Είπε ο ΑντρέιντΕ «Υποθέσαμε ότι τα μυρμήγκια μπορεί να έπαιζαν jengaΕ “

Με άλλα λόγια, οι ερευνητές υποψιάστηκαν ότι τα μυρμήγκια περιφέρονται στο έδαφος αναζητώντας χαλαρούς κόκκους για να αφαιρέσουν, με τον ίδιο τρόπο που οι άνθρωποι ψάχνουν για χαλαρά σμήνη για να τους αφαιρέσουν από jenga πυργίσκος, αφήνοντας τα κρίσιμα κομμάτια ρουλεμάν στη θέση τους. Αυτά τα μπλοκ αποτελούν μέρος αυτού που είναι γνωστό ως “αλυσίδα δύναμης” που μπλοκάρει (ή κοκκώδη σωματίδια του εδάφους, στην περίπτωση μιας μυρμηγκοφωλιάς) μαζί για να δημιουργήσει μια σταθερή δομή.

Για τα πειράματά τους, ο Andrade και οι συνεργάτες του ανάμειξαν 500 ml χώματος koekret με 20 ml νερό και τοποθέτησαν το μείγμα σε αρκετά μικρά φλιτζάνια χώματος. Το μέγεθος των φλυτζανιών επιλέχθηκε για το πόσο εύκολο είναι να χωρέσουν μέσα στον αξονικό τομογράφο. Μέσα από δοκιμές και λάθη – ξεκινώντας από ένα μόνο μυρμήγκι και αυξάνοντας σταδιακά τον αριθμό – οι ερευνητές καθόρισαν τον αριθμό των μυρμηγκιών που απαιτούνται για να επιτευχθεί ο βέλτιστος ρυθμός σκαψίματος: 15.

Η ομάδα χρειάστηκε τεσσεράμισι λεπτά κάθε 10 λεπτά ενώ τα μυρμήγκια έσκαβαν ένα τούνελ για να παρακολουθούν την πρόοδό τους. Από τις τρισδιάστατες εικόνες που προέκυψαν, δημιούργησαν ένα “ψηφιακό άβαταρ” για κάθε μέρος του δείγματος, αποτυπώνοντας το σχήμα, τη θέση και τον προσανατολισμό κάθε κόκκου – όλα αυτά μπορούν να επηρεάσουν σε μεγάλο βαθμό την κατανομή των δυνάμεων στα δείγματα του εδάφους. Οι ερευνητές μπόρεσαν επίσης να μάθουν τη σειρά με την οποία αφαιρέθηκε κάθε σφαιρίδιο από τα μυρμήγκια συγκρίνοντας εικόνες που λήφθηκαν σε διαφορετικές καταστάσεις εγκαίρως.

Τα μυρμήγκια δεν ήταν πάντα συνεργάσιμα όταν επρόκειτο να σκάψουν σοβαρά τις σήραγγες τους. «Μιμούνται κάπως» Είπε ο ΑντρέιντΕ “Σκάβουν όποτε θέλουν. Θα βάζαμε αυτά τα μυρμήγκια σε ένα δοχείο, και μερικά θα άρχιζαν να σκάβουν αμέσως, και θα έκαναν αυτήν την καταπληκτική πρόοδο. Αλλά άλλα – θα χρειάζονταν ώρες και δεν θα σκάβουν καθόλου. Μερικά θα σκάβανε για ένα ενώ στη συνέχεια σταματήστε και ξεκουραστείτε ».

Οι Andrade και Parker σημειώνουν κάποια αναδυόμενα μοτίβα στην ανάλυσή τους. Για παράδειγμα, τα μυρμήγκια συνήθως τρυπώνουν κατά μήκος των εσωτερικών άκρων των κυπέλλων – μια αποτελεσματική στρατηγική, καθώς οι πλευρές των κυπέλλων μπορούν να αποτελέσουν μέρος της δομής των τούνελ, εξοικονομώντας λίγη προσπάθεια στα μυρμήγκια. Τα μυρμήγκια προτίμησαν επίσης τις ευθείες γραμμές των σηράγγων τους, μια τεχνική που βελτιώνει την αποδοτικότητα. Τα μυρμήγκια έτειναν να σκάβουν τις σήραγγές τους όσο το δυνατόν περισσότερο. Στο μέτρο του δυνατού σε ένα κοκκώδες μέσο, ​​όπως το έδαφος ονομάζεται “γωνία ανάπαυσης”. Ξεπεράστε αυτήν τη γωνία και η δομή θα καταρρεύσει. Κάπως έτσι, τα μυρμήγκια μπορούν να αισθανθούν αυτό το κρίσιμο όριο, διασφαλίζοντας ότι οι σήραγγές τους δεν υπερβαίνουν τη γωνία ανάπαυσης.

Για τη βασική φυσική, η ομάδα ανακάλυψε ότι όταν τα μυρμήγκια αφαιρούσαν τους κόκκους του εδάφους για να σκάψουν τις σήραγγές τους, οι αλυσίδες δυνάμεων που επενεργούν στη δομή αναδιατάσσονται από μια τυχαία κατανομή για να σχηματίσουν ένα είδος επένδυσης γύρω από την εξωτερική σήραγγα. Αυτή η ανακατανομή των δυνάμεων ενισχύει τα υπάρχοντα τοιχώματα της σήραγγας και ανακουφίζει την πίεση που ασκούν οι κόκκοι στο τέλος της σήραγγας, καθιστώντας ευκολότερο για τα μυρμήγκια να αφαιρέσουν αυτούς τους κόκκους για να επεκτείνουν ακόμη περισσότερο τη σήραγγα.

«Aταν ένα μυστήριο τόσο στη μηχανική όσο και στην οικολογία των μυρμηγκιών, το πώς τα μυρμήγκια χτίζουν αυτές τις δομές δεκαετιών», είπε. Είπε ο ΠάρκερΕ “Αποδεικνύεται ότι αφαιρώντας τον κόκκο σε αυτό το μοτίβο που παρατηρήσαμε, τα μυρμήγκια εκμεταλλεύονται αυτές τις αλυσίδες ωκεάνιων δυνάμεων καθώς τρυπώνουν”. Τα μυρμήγκια πιέζουν μεμονωμένους κόκκους για να εκτιμήσουν τις μηχανικές δυνάμεις που ασκούνται σε αυτά.

Ο Πάρκερ πιστεύει ότι είναι ένα είδος αλγορίθμου συμπεριφοράς. Αυτός ο αλγόριθμος δεν υπάρχει μέσα σε ένα μόνο μυρμήγκι. Αυτός είπεΕ “Είναι η εκκολαπτόμενη αποικιακή συμπεριφορά όλων αυτών των εργαζομένων που συμπεριφέρονται σαν υπεροργανισμοί. Το πώς αυτό το πρόγραμμα συμπεριφοράς εξαπλώνεται στους μικρο-εγκεφάλους όλων αυτών των μυρμηγκιών είναι ένα από τα θαύματα του φυσικού κόσμου για το οποίο δεν έχουμε καμία εξήγηση.”

DOI: PNAS, 2021. 10.1073/pnas.2102267118 (Σχετικά με τα DOI).