Skruzdėlės yra nuostabūs duobkasiai, kuriantys sudėtingus daugiapakopius lizdus, ​​sujungtus įmantriu tunelių tinklu, kartais siekiančiu iki 25 pėdų gylį. Dabar Kalifornijos technologijos instituto mokslininkų komanda panaudojo rentgeno vaizdą, kad užfiksuotų skruzdėlių statomų tunelių procesą. Mokslininkai nustatė, kad skruzdėlės evoliucionavo taip, kad intuityviai pajustų grūdų daleles, kurias jos gali pašalinti, išlaikydamos struktūrą stabilią, kaip ir pašalindamos atskirus žaidimo blokus. jenga. Komanda aprašė savo darbą naujas popierius Paskelbta Nacionalinės mokslų akademijos leidiniuose.

Mokslininkai, besidomintys kolektyviniu elgesiu, dešimtmečius tiria skruzdėles. Taip yra todėl, kad skruzdėlės kaip grupė elgiasi kaip tam tikra granuliuotos terpės forma. Nedaug skruzdžių elgiasi taip pat, kaip atskiros skruzdėlės. bet Pakok jų pakankamai Glaudžiai kartu ir veikiantys kaip vienas vienetas, jie pasižymi kietomis ir skystomis savybėmis. Pavyzdžiui, galite išpilti ugnies skruzdėles iš arbatinuko, arba skruzdėlės gali susieti, kad galėtų pastatyti plaukiojančius bokštus ar plaustus. Skruzdėlės gali būti mažos būtybės su mažomis smegenimis, tačiau šie socialiniai vabzdžiai sugeba Organizuokite save kolektyviai Labai efektyvioje bendruomenėje, siekiant užtikrinti kolonijos išlikimą.

Prieš kelis metusElgesio biologas Vaikinas Theraolase iš Tulūzos (Prancūzija) Pažangiųjų studijų instituto ir keli kolegos laboratorinius eksperimentus derino su Argentinos skruzdėlėmis ir kompiuteriniu modeliavimu. Apibrėžkite tris paprastas taisykles Skruzdžių elgesio kontrolė kasant tunelius. Žvalgybai: (1) skruzdėlės renka grūdus pastoviu greičiu (apie 2 grūdus kas minutę); ii) skruzdėlės mieliau numeta grūdus šalia kitų grūdų, kad susidarytų plunksnos; ir (3) skruzdėlės dažniausiai atrenka cheminiu feromonu pažymėtus grūdus po to, kai kitos skruzdėlės su jais susidoroja. Teraolazė ir kiti. Remdamasis šiomis trimis taisyklėmis, jis sukūrė kompiuterinį modeliavimą ir nustatė, kad po savaitės virtualios skruzdėlės sukūrė struktūrą, labai panašią į tikrus skruzdžių lizdus. Jie daro išvadą, kad šios taisyklės atsiranda dėl vietinės atskirų skruzdėlių sąveikos, nereikalaujant centrinio koordinavimo.

Neseniai a popierius 2020 m Aš tai radau socialinė dinamika Darbo pasidalijimas skruzdžių kolonijoje yra panašus į tai, kaip žmonių socialiniuose tinkluose vystosi politinė poliarizacija. Skruzdėlės taip pat puikiai reguliuoja savo eismo srautą. a Tyrimas 2018 m Danielio Goldmano grupė iš „Georgia Tech“ ištyrė, kaip ugnies skruzdėlės gali pagerinti pastangas tuneliuose, nesukeliant spūsčių. kaip ir mes Tuo metu minėjau, grupė padarė išvadą, kad skruzdėlei susidūrus su tuneliu, kuriame jau bėga kitos skruzdėlės, ji atsitraukia, kad surastų kitą tunelį. Ir tik nedidelė kolonijos dalis kasa vienu metu: 30 procentų jų atlieka 70 procentų darbų.

Davido Ho biologinė judėjimo grupė „Georgia Tech“ taip pat tyrė ugnies skruzdėles. 2019 m., Jis ir jo kolegos pranešė Kad ugnies skruzdėlės galėtų aktyviai jausti jėgas, veikiančias jų plaukiojantį plaustą. Skruzdėlės atpažįsta skirtingas skysčių tekėjimo sąlygas ir gali atitinkamai pritaikyti savo elgesį, kad plaustas būtų stabilus. Irklai, judantys upės vandeniu, sukurs sūkurinių vonių seriją (vadinamą besisukančiu sūkuriu), todėl skruzdžių plaustai suksis. Šie sūkuriai taip pat gali paveikti plaustą papildomomis jėgomis, kurių pakanka suskaidyti. Tiek išcentrinių jėgų, tiek šlyties jėgų, veikiančių plaustą, pokyčiai yra labai nedideli – galbūt nuo 2 iki 3 procentų įprastos gravitacijos jėgos. Tačiau kažkaip skruzdėlės gali jausti šiuos mažus poslinkius savo kūnu.

Šiame paskutiniame darbe daugiausia dėmesio skiriama vakarinėms kombainų skruzdėlėms (Pogonomyrmex occidentalis), buvo pasirinktas dėl savo gausaus gebėjimo kasti į dirvožemio grūdus milimetrų skalėje. Bendraautorius Jose Andrade, „Caltech“ mechanikos inžinierius, įkvėpė tyrinėti tunelines skruzdėles, pamatęs pavyzdžių Skruzdėlių lizdo menas. Gabalai kuriami į skruzdžių piliakalnį pilant tam tikrą išlydytą metalą, tinką ar cementą, kuris teka per visus tunelius ir galiausiai sukietėja. Tada aplinkinis dirvožemis pašalinamas, kad būtų atskleista galutinė sudėtinga struktūra. Andrade buvo toks sužavėtas, kad pradėjo domėtis, ar skruzdėlės tikrai „moka“ tas struktūras iškasti.

Andrade projekte bendradarbiavo su „Caltech“ bioinžinieriumi Joe Parkeriu; Parkerio tyrimuose daugiausia dėmesio skiriama skruzdėlių ekologiniams santykiams su kitomis rūšimis. „Nekalbinome jokių skruzdėlių, norėdami paklausti, ar jos žino, ką daro, bet pradėjome nuo prielaidos, kad jos kasosi sąmoningai“. – pasakė Andrade. „Mes manėme, kad skruzdėlės galėjo žaisti jenga. „

Kitaip tariant, mokslininkai įtarė, kad skruzdėlės klaidžioja po dirvą ieškodamos palaidų grūdų, kaip ir žmonės, ieškodami palaidų gumulėlių, kad juos pašalintų. jenga bokštelis, paliekant svarbiausias guolių dalis. Šie blokai yra dalis vadinamosios „jėgos grandinės“, kuri kartu blokuoja blokus (arba granuliuotas dirvožemio daleles, skruzdėlyno atveju), kad sukurtų stabilią struktūrą.

Savo eksperimentams Andrade ir jo kolegos sumaišė 500 ml koekret dirvožemio su 20 ml vandens ir įdėjo mišinį į keletą mažų puodelių dirvožemio. Puodelių dydis buvo pasirinktas atsižvelgiant į tai, kaip lengvai jie telpa į kompiuterį. Bandydami ir suklydę – pradedant viena skruzdėle ir palaipsniui didindami jų skaičių – tyrėjai nustatė skruzdėlių skaičių, reikalingą optimaliam kasimo greičiui pasiekti: 15.

Komanda užtruko keturias su puse minutės kas 10 minučių, kol skruzdėlės kasė tunelį, kad galėtų stebėti jų pažangą. Iš gautų 3D vaizdų kiekvienai mėginio daliai jie sukūrė „skaitmeninį pseudoportretą“, fiksuojantį kiekvieno rutulio formą, padėtį ir orientaciją – visa tai gali labai paveikti jėgų pasiskirstymą dirvožemio mėginiuose. Tyrėjai taip pat galėjo sužinoti, kokia tvarka kiekviena karoliukas buvo pašalintas skruzdėlių, lygindami vaizdus, ​​padarytus skirtingose ​​būsenose laiku.

Skruzdėlės ne visada bendradarbiavo, kai reikėjo rimtai kasti savo tunelius. „Jie kažkaip pamėgdžioti“ – pasakė Andrade. „Jie kasa, kada nori. Mes įdedame šias skruzdėles į konteinerį, o kai kurie iš karto pradeda kasti, ir jie daro šią nuostabią pažangą. Bet kiti – tai užtruktų valandas ir visai nekastų. Kai kurie kasė o tada sustoti ir pailsėti “.

Andrade ir Parkeris savo analizėje atkreipia dėmesį į kai kuriuos naujus modelius. Pavyzdžiui, skruzdėlės dažniausiai kapstosi išilgai vidinių puodelių kraštų – tai efektyvi strategija, nes puodelių šonai gali būti tunelių struktūros dalis, taip sutaupant šiek tiek pastangų. Skruzdėlės taip pat pirmenybę teikė tiesioms tunelių linijoms – tai technika, kuri pagerina efektyvumą. Skruzdėlės buvo linkusios kuo sunkiau kasti savo tunelius. Kiek įmanoma, granuliuotoje terpėje, kaip dirvožemis, vadinamas „poilsio kampu“; Viršijus šį kampą, konstrukcija sugrius. Skruzdėlės kažkaip gali pajusti šią kritinę ribą ir įsitikinti, kad jų tuneliai neviršija poilsio kampo.

Kalbant apie pagrindinę fiziką, komanda atrado, kad kai skruzdėlės pašalino dirvožemio grūdus, kad kastų savo tunelius, jėgos grandinės, veikiančios konstrukciją, persitvarkė iš atsitiktinio pasiskirstymo, kad susidarytų tam tikras pamušalas aplink išorinį tunelį. Šis jėgų perskirstymas sustiprina esamas tunelio sienas ir sumažina grūdų spaudimą tunelio gale, todėl skruzdėms lengviau pašalinti tuos grūdus, kad tunelis būtų dar ilgesnis.

„Ir inžinerijos, ir skruzdžių ekologijos mįslė buvo tai, kaip skruzdėlės stato šias dešimtmečių senumo struktūras“,-sakė jis. Parkeris pasakė. „Pasirodo, kad pašalinus grūdus pagal šį mūsų pastebėtą modelį, skruzdėlės naudojasi šiomis vandenyno jėgos grandinėmis. Skruzdėlės spaudžia atskirus grūdus, kad įvertintų joms daromas mechanines jėgas.

Parkeris mano, kad tai yra tam tikras elgesio algoritmas. Šis algoritmas neegzistuoja vienos skruzdėlės viduje. Jis pasakė. „Tai visų šių darbuotojų, kurie elgiasi kaip superorganizmai, kolonijų elgesys. Kaip ši elgesio programa plinta per visų šių skruzdėlių mikro smegenis, yra vienas iš gamtos pasaulio stebuklų, kuriam mes neturime paaiškinimo.”

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