Studie: Mravenci vytvářejí v hnízdech stabilní tunely, stejně jako lidé, kteří hrají jinga

Mravenci jsou úžasní bagrové, kteří staví komplikovaná víceúrovňová hnízda spojená složitou sítí tunelů, někdy dosahujících hloubky až 25 stop. Tým vědců z Kalifornského technologického institutu nyní použil rentgenové zobrazování k zachycení procesu, jak mravenci staví své tunely. Vědci zjistili, že mravenci se vyvinuli tak, aby intuitivně cítili částice zrna, které mohou odstraňovat a přitom udržovat strukturu stabilní, stejně jako odstraňování jednotlivých bloků ve hře. jenga. Tým popsal jejich práci na nový papír Publikováno ve sborníku Národní akademie věd.

Vědci, kteří se zajímají o kolektivní chování, studují mravence už desítky let. Je to proto, že mravenci se jako skupina chovají jako nějaká forma zrnitého média. Málo rozmístěných mravenců se chová stejně dobře jako jednotliví mravenci. ale Sbalte si jich dost Těsně spolu a fungují jako jedna jednotka, vykazují pevné a kapalné vlastnosti. Můžete například vysypat ohnivé mravence z konvice, nebo se mohou mravenci spojit a postavit plovoucí věže nebo vory. Mravenci mohou být malá stvoření s malým mozkem, ale tento společenský hmyz to dokáže Organizujte se kolektivně Ve vysoce efektivní komunitě, která zajistí přežití kolonie.

Před několika letyBehaviorální biolog Guy Theraolase z Institutu pokročilých studií v Toulouse ve Francii a několik kolegů zkombinovalo laboratorní experimenty s argentinskými mravenci a počítačové modelování, aby Definujte tři jednoduchá pravidla Řízení chování mravenců při hloubení tunelů. Pro inteligenci: (1) mravenci sbírají zrna konstantní rychlostí (asi 2 zrna každou minutu); (ii) Mravenci dávají přednost tomu, aby svá zrna shazovali poblíž jiných zrn, aby vytvořili oblaky; a (3) mravenci obvykle vybírají zrna označená chemickým feromonem poté, co si s nimi poradili ostatní mravenci. Theraolase a další. Na základě těchto tří pravidel postavil počítačovou simulaci a zjistil, že po týdnu virtuální mravenci vybudovali strukturu velmi podobnou skutečným mravenčím hnízdům. Dochází k závěru, že tato pravidla vyplývají z místních interakcí mezi jednotlivými mravenci, aniž by bylo nutné centrální koordinace.

Nedávno a papír 2020 zjistil jsem, že sociální dynamika Jak dělba práce vzniká v kolonii mravenců, je podobná tomu, jak se v lidských sociálních sítích vyvíjí politická polarizace. Mravenci také vynikají v regulaci vlastního toku provozu. A Studie 2018 Skupina Daniela Goldmana ve společnosti Georgia Tech zkoumala, jak mohou mravenci ohně zlepšit úsilí o tunelování, aniž by způsobily dopravní zácpy. jako jsme my V té době jsem se zmínil, skupina dospěla k závěru, že když mravenec narazí na tunel, ve kterém již pobíhají další mravenci, stáhne se zpět, aby našel jiný tunel. A jen malá část kolonie vykopává najednou: 30 procent z nich dělá 70 procent práce.

Skupina biologické lokomoce Davida Ho ve společnosti Georgia Tech také studovala ohnivé mravence. v roce 2019, Oznámil to on i jeho kolegové Že ohniví mravenci aktivně cítí změny sil působících na jejich plovoucí vor. Mravenci rozpoznávají různé podmínky proudění tekutiny a podle toho mohou přizpůsobit své chování, aby udrželi vor stabilní. Veslo pohybující se po říční vodě vytvoří řadu vírů (známých jako prolévající se vír), což způsobí, že se točí vory mravenců. Tyto víry mohou také vyvinout další síly na vor, dost na to, aby se rozpadly. Změny odstředivých sil a střižných sil působících na vor jsou velmi malé – možná 2 až 3 procenta normální gravitační síly. Mravenci však svým tělem nějak cítí tyto malé posuny.

Tento poslední článek se zaměřuje na mravence západního kombajnu (Pogonomyrmex occidentalis), byl vybrán kvůli své plodné schopnosti kopat do půdních zrn v milimetrovém měřítku. Spoluautor Jose Andrade, strojní inženýr společnosti Caltech, byl inspirován k průzkumu tunelových mravenců poté, co viděl příklady Mravčí hnízdo umění. Kousky vznikají nalitím nějakého druhu roztaveného kovu, sádry nebo cementu do mraveniště, které protéká všemi tunely a nakonec ztuhne. Okolní půda je poté odstraněna, aby se odhalila konečná komplexní struktura. Andradea to natolik zaujalo, že začal přemýšlet, jestli mravenci skutečně „vědí“, jak tyto struktury vykopat.

Na projektu Andrade spolupracoval s bioinženýrem Caltech Joe Parkerem; Parkerův výzkum se zaměřuje na ekologické vztahy mravenců s jinými druhy. „Nedělali jsme rozhovor s žádnými mravenci, abychom se zeptali, jestli vědí, co dělají, ale začali jsme s předpokladem, že kopali záměrně,“ Řekl Andrade. „Předpokládali jsme, že mravenci mohli hrát.“ jenga. „

Jinými slovy, vědci měli podezření, že mravenci se toulají po půdě a hledají volná zrna, která by odstranili, stejným způsobem, jakým lidé hledají volné shluky, aby je odstranili z jenga věž, ponechávající kritické ložiskové kusy na místě. Tyto bloky jsou součástí takzvaného „silového řetězce“, který spojuje bloky (nebo částice zrnité půdy v případě mraveniště) dohromady a vytváří stabilní strukturu.

Pro své experimenty Andrade a jeho kolegové smíchali 500 ml koekretové půdy s 20 ml vody a směs umístili do několika malých šálků zeminy. Velikost šálků byla zvolena tak, aby se snadno vešly do CT skeneru. Prostřednictvím pokusů a omylů – počínaje jediným mravencem a postupným zvyšováním počtu – vědci určili počet mravenců potřebných k dosažení optimální rychlosti kopání: 15.

Týmu trvalo každých deset minut čtyři a půl minuty, zatímco mravenci kopali tunel, aby sledovali jejich postup. Z výsledných 3D obrazů vytvořili „digitální avatara“ pro každou část ve vzorku, zachycující tvar, polohu a orientaci každého zrna – to vše může velmi ovlivnit rozložení sil v půdních vzorcích. Vědci se také mohli naučit pořadí, v jakém byla každá perlička odstraněna mravenci, porovnáním snímků pořízených v různých státech v čase.

Mravenci při kopech jejich tunelů vždy nespolupracovali. „Jsou trochu napodobeni“ Řekl Andrade. „Kopou, kdykoli chtějí. Dali bychom tyto mravence do kontejneru a někteří by začali kopat hned a udělali by tento úžasný pokrok. Ale jiným – trvalo by to hodiny a nekopat vůbec. Někteří by kopali pro chvíli a pak se zastav a odpočiň si. “

Andrade a Parker si ve své analýze všimli několika nově se objevujících vzorců. Mravenci se například obvykle zavrtávají podél vnitřních okrajů košíčků – účinná strategie, protože strany košíčků mohou být součástí struktury tunelů, což mravencům ušetří trochu úsilí. Mravenci také dávali přednost přímým liniím svých tunelů, což je technika, která zlepšuje účinnost. Mravenci měli tendenci kopat své tunely tak tvrdě, jak to jen bylo možné. Pokud je to možné, v zrnitém médiu se půdě říká „úhel klidu“; Překročte tento úhel a struktura se zhroutí. Mravenci nějakým způsobem dokážou vycítit tento kritický práh a ujistit se, že jejich tunely nepřesahují úhel klidu.

Pro základní fyziku tým zjistil, že když mravenci odstranili půdní zrna, aby vykopali své tunely, silové řetězce působící na strukturu se přeskupily z náhodného rozdělení a vytvořily jakousi vložku kolem vnějšího tunelu. Toto přerozdělení sil posiluje stávající stěny tunelu a uvolňuje tlak, který zrna vyvíjejí na konci tunelu, což mravencům usnadňuje jejich odstraňování, aby se tunel ještě rozšířil.

„V inženýrské i mravenčí ekologii bylo záhadou, jak mravenci staví tyto desítky let staré struktury,“ řekl. Řekl Parker. „Ukazuje se, že odstraněním zrna v tomto vzoru, který jsme pozorovali, mravenci využívají výhod těchto řetězců oceánské síly, když se zavrtávají.“ Mravenci tlačí na jednotlivá zrna, aby posoudili mechanické síly, které na ně působí.

Parker si myslí, že je to druh behaviorálního algoritmu. Tento algoritmus neexistuje uvnitř jediného mravence. Řekl. „Je to chování rodících se kolonií všech těchto pracovníků, kteří se chovají jako superorganismy. Jak se tento behaviorální program šíří mikro-mozky všech těchto mravenců, je jedním z divů přírodního světa, pro který nemáme žádné vysvětlení.“

DOI: PNAS, 2021. 10,1073/pnas.2102267118 (O DOI).