Nghiên cứu: Kiến tạo ra các đường hầm ổn định trong tổ, giống như con người chơi jinga

Phóng / Hai con kiến ​​đào đường hầm bằng thạch xanh. Một nghiên cứu mới từ Viện Công nghệ California cho thấy kiến ​​tìm kiếm và loại bỏ các hạt đất rời khi đào đường hầm của chúng, giống như con người loại bỏ các cục đất rời trong khi chơi. jenga.

Kiến là những thợ đào tuyệt vời, xây dựng những tổ nhiều tầng phức tạp được kết nối bởi một mạng lưới đường hầm phức tạp, đôi khi đạt đến độ sâu lên đến 25 feet. Giờ đây, một nhóm các nhà khoa học từ Viện Công nghệ California đã sử dụng hình ảnh tia X để ghi lại quá trình kiến ​​xây dựng đường hầm của chúng. Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng loài kiến ​​đã tiến hóa để cảm nhận một cách trực quan các hạt ngũ cốc mà chúng có thể loại bỏ trong khi vẫn giữ cấu trúc ổn định, giống như loại bỏ các khối riêng lẻ trong một trò chơi. jenga. Nhóm đã mô tả công việc của họ tại giấy mới Được xuất bản trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia.

Các nhà khoa học quan tâm đến hành vi tập thể đã nghiên cứu kiến ​​trong nhiều thập kỷ. Điều này là do kiến, với tư cách là một nhóm, hoạt động giống như một số dạng phương tiện truyền thông dạng hạt. Một số ít kiến ​​cách nhau cư xử tốt như những con kiến ​​riêng lẻ. nhưng Gói đủ chúng Gần nhau và hoạt động như một đơn vị, chúng thể hiện các đặc tính rắn và lỏng. Ví dụ, bạn có thể đổ kiến ​​lửa ra khỏi ấm trà, hoặc những con kiến ​​có thể liên kết với nhau để xây tháp hoặc bè nổi. Kiến có thể là những sinh vật nhỏ với bộ não nhỏ, nhưng những loài côn trùng xã hội này có khả năng Tự tổ chức tập thể Trong một cộng đồng hiệu quả cao để đảm bảo sự tồn tại của thuộc địa.

Nhiều năm về trướcNhà sinh học hành vi Guy Theraolase từ Viện Nghiên cứu Cao cấp ở Toulouse, Pháp và một số đồng nghiệp đã kết hợp các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm với kiến ​​Argentina và mô hình máy tính để Xác định ba quy tắc đơn giản Kiểm soát hành vi của kiến ​​trong việc đào đường hầm. Đối với trí thông minh: (1) kiến ​​nhặt hạt với tốc độ không đổi (khoảng 2 hạt mỗi phút); (ii) Kiến thích rụng hạt của chúng gần các hạt khác để tạo thành chùm lông; và (3) kiến ​​thường chọn các loại ngũ cốc được đánh dấu bằng pheromone hóa học sau khi những con kiến ​​khác đã xử lý chúng. Theraolase và những người khác. Ông đã xây dựng một mô phỏng máy tính dựa trên ba quy tắc này và nhận thấy rằng sau một tuần, những con kiến ​​ảo đã xây dựng được một cấu trúc rất giống với tổ kiến ​​thật. Họ kết luận rằng những quy tắc này xuất hiện từ sự tương tác cục bộ giữa các cá thể kiến, mà không cần sự phối hợp trung tâm.

READ  Vấn đề 'Độ mờ lớn' của Betelgeuse đã được giải quyết

Gần đây, một giấy 2020 Tôi đã tìm thấy điều đó năng động xã hội Cách phân công lao động xuất hiện trong một đàn kiến ​​tương tự như cách phân cực chính trị phát triển trong các mạng xã hội của con người. Kiến cũng xuất sắc trong việc điều tiết luồng giao thông của chính chúng. Một Nghiên cứu 2018 Nhóm của Daniel Goldman tại Georgia Tech đã nghiên cứu cách kiến ​​lửa có thể cải thiện nỗ lực đào hầm mà không gây tắc đường. như chúng tôi là Tôi đã đề cập tại thời điểm đó, nhóm kết luận rằng khi một con kiến ​​gặp phải một đường hầm mà những con kiến ​​khác đang chạy, nó sẽ rút lui để tìm một đường hầm khác. Và chỉ một phần nhỏ của thuộc địa đào bất kỳ lúc nào: 30% trong số họ làm 70% công việc.

Nhóm vận động sinh học của David Ho tại Georgia Tech cũng đã nghiên cứu về kiến ​​lửa. vào năm 2019, Anh và các đồng nghiệp đã đưa tin Rằng kiến ​​lửa có thể chủ động cảm nhận được những thay đổi của lực tác động lên bè nổi của chúng. Kiến nhận ra các điều kiện khác nhau đối với dòng chảy của chất lỏng và có thể điều chỉnh hành vi của chúng cho phù hợp để giữ cho bè ổn định. Một mái chèo di chuyển trên mặt nước sông sẽ tạo ra một loạt xoáy nước (được gọi là xoáy đổ), khiến bè kiến ​​quay tròn. Những dòng xoáy này cũng có thể tác động thêm lực lên bè, đủ để phá vỡ bè. Những thay đổi của cả lực ly tâm và lực cắt tác dụng lên bè là rất nhỏ – có lẽ từ 2% đến 3% lực hấp dẫn bình thường. Tuy nhiên, bằng cách nào đó, kiến ​​có thể cảm nhận được những thay đổi nhỏ này với cơ thể của chúng.

Bài báo cuối cùng này tập trung vào kiến ​​máy gặt phương tây (Pogonomyrmex Occidentalis), được chọn vì khả năng đào sâu vào các hạt đất ở tỷ lệ milimet. Đồng tác giả Jose Andrade, một kỹ sư cơ khí tại Caltech, đã được truyền cảm hứng để khám phá loài kiến ​​đào hầm sau khi xem các ví dụ về Nghệ thuật làm tổ của kiến. Các mảnh này được tạo ra bằng cách đổ một số loại kim loại nóng chảy, thạch cao hoặc xi măng vào gò kiến, chảy qua tất cả các đường hầm và cuối cùng đông đặc lại. Đất xung quanh sau đó được loại bỏ để lộ cấu trúc phức tạp cuối cùng. Andrade ấn tượng đến mức bắt đầu tự hỏi liệu những con kiến ​​có thực sự “biết” cách đào những công trình kiến ​​trúc đó hay không.

READ  Người thám hiểm bền bỉ đã thành công trong việc thu thập mẫu đầu tiên từ sao Hỏa
Trên cùng bên trái: thiết kế thử nghiệm.  Trên cùng bên phải: Hình ảnh chụp X-quang của một đường hầm đã hoàn thành.  Dưới cùng bên trái: lắp mô hình của các hạt đã loại bỏ.  Dưới cùng bên phải: Hoàn nguyên số lượng các hạt bị kiến ​​loại bỏ tại vị trí ban đầu.
Phóng / Trên cùng bên trái: thiết kế thử nghiệm. Trên cùng bên phải: Hình ảnh chụp X-quang của một đường hầm đã hoàn thành. Dưới cùng bên trái: lắp mô hình của các hạt đã loại bỏ. Dưới cùng bên phải: Hoàn nguyên số lượng các hạt bị kiến ​​loại bỏ tại vị trí ban đầu.

RBD Macedo và cộng sự, 2021

Andrade đã hợp tác với nhà kỹ thuật sinh học Caltech Joe Parker trong dự án; Nghiên cứu của Parker tập trung vào các mối quan hệ sinh thái của kiến ​​với các loài khác. “Chúng tôi không phỏng vấn bất kỳ con kiến ​​nào để hỏi xem chúng có biết chúng đang làm gì không, nhưng chúng tôi bắt đầu với tiền đề rằng chúng đang đào bới một cách có chủ ý”. Andrade nói. “Chúng tôi cho rằng những con kiến ​​có thể đã chơi jenga. “

Nói cách khác, các nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng kiến ​​lang thang trên đất để tìm kiếm các hạt rời để loại bỏ, giống như cách mà con người tìm kiếm các cục rời để loại bỏ chúng. jenga tháp pháo, để nguyên các mảnh chịu lực quan trọng. Các khối này là một phần của cái được gọi là “chuỗi lực” làm kẹt các khối (hoặc các hạt đất dạng hạt, trong trường hợp là một khối đá) với nhau để tạo ra một cấu trúc ổn định.

Đối với các thí nghiệm của mình, Andrade và các đồng nghiệp của ông đã trộn 500 ml đất koekret với 20 ml nước và đặt hỗn hợp vào một vài cốc đất nhỏ. Kích thước của cốc đã được chọn để chúng dễ dàng lắp vào bên trong máy quét CT. Thông qua quá trình thử và sai – bắt đầu với một con kiến ​​duy nhất và tăng dần số lượng – các nhà nghiên cứu đã xác định số lượng kiến ​​cần thiết để đạt được tốc độ đào tối ưu: 15.

Nhóm nghiên cứu mất 4 phút rưỡi cứ sau 10 phút trong khi kiến ​​đào đường hầm để theo dõi sự tiến bộ của chúng. Từ những hình ảnh 3D thu được, họ tạo ra một “hình đại diện kỹ thuật số” cho từng phần trong mẫu, chụp lại hình dạng, vị trí và hướng của từng hạt – tất cả đều có thể ảnh hưởng lớn đến sự phân bố lực trong mẫu đất. Các nhà nghiên cứu cũng có thể tìm hiểu thứ tự từng hạt bị kiến ​​loại bỏ bằng cách so sánh các hình ảnh được chụp ở các trạng thái khác nhau trong thời gian.

READ  Trường hợp đầu tiên của Delta Plus, biến thể 'cá voi kép' của COVID, được phát hiện ở Louisiana | Virus corona
Các lực dạng hạt (vạch đen) tại cùng một vị trí trong đất trước (trái) và sau (phải) đường hầm của kiến.
Phóng / Các lực dạng hạt (vạch đen) tại cùng một vị trí trong đất trước (trái) và sau (phải) đường hầm của kiến.

Jose E. Andrade và David R. Miller / Caltech

Không phải lúc nào lũ kiến ​​cũng hợp tác khi đào đường hầm của chúng một cách nghiêm túc. ‘Họ là loại bắt chước’ Andrade nói. “Họ đào bất cứ khi nào họ muốn. Chúng tôi sẽ cho những con kiến ​​này vào một thùng chứa và một số sẽ bắt đầu đào ngay lập tức và chúng sẽ đạt được tiến bộ đáng kinh ngạc này. Nhưng những người khác – sẽ mất hàng giờ đồng hồ và không đào được. Một số sẽ đào trong khi và sau đó dừng lại và nghỉ ngơi. ”

Andrade và Parker lưu ý một số mô hình mới nổi trong phân tích của họ. Ví dụ, kiến ​​thường đào hang dọc theo các cạnh bên trong của cốc – một chiến lược hiệu quả, vì các cạnh của cốc có thể là một phần cấu trúc của đường hầm, giúp kiến ​​tiết kiệm được một chút công sức. Những con kiến ​​cũng thích những đường thẳng trong đường hầm của chúng, một kỹ thuật giúp cải thiện hiệu quả. Những con kiến ​​có xu hướng đào đường hầm của chúng khó nhất có thể. Càng xa càng tốt trong môi trường dạng hạt như đất được gọi là “góc nghỉ”; Vượt quá góc đó, và cấu trúc sẽ sụp đổ. Bằng cách nào đó, kiến ​​có thể cảm nhận được ngưỡng tới hạn này, đảm bảo rằng đường hầm của chúng không vượt ra ngoài góc nghỉ.

Đối với vật lý cơ bản, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng khi những con kiến ​​loại bỏ các hạt đất để đào đường hầm của chúng, các chuỗi lực tác động lên cấu trúc sẽ tự sắp xếp lại từ sự phân bố ngẫu nhiên để tạo thành một loại lớp lót xung quanh đường hầm bên ngoài. Sự phân bố lại lực lượng này củng cố các bức tường đường hầm hiện có và giảm áp lực mà các hạt tạo ra ở cuối đường hầm, giúp kiến ​​dễ dàng loại bỏ những hạt đó để mở rộng đường hầm hơn nữa.

Ông nói: “Đó là một bí ẩn trong cả kỹ thuật và sinh thái học kiến ​​làm thế nào những con kiến ​​xây dựng những công trình có tuổi đời hàng thập kỷ này. Parker nói. “Hóa ra là bằng cách loại bỏ hạt theo mô hình này mà chúng tôi quan sát được, những con kiến ​​đang tận dụng các chuỗi lực của đại dương này khi chúng đào sâu xuống.” Kiến ấn vào từng hạt để đánh giá lực cơ học tác động lên chúng.

Parker cho rằng đó là một loại thuật toán hành vi. Thuật toán đó không tồn tại bên trong một con kiến. Anh ấy nói. “Đó là hành vi thuộc địa non trẻ của tất cả những con công nhân này, những người cư xử như những siêu sinh vật. Chương trình hành vi này lan truyền qua bộ não vi mô của tất cả những con kiến ​​này như thế nào là một trong những điều kỳ diệu của thế giới tự nhiên mà chúng tôi không có lời giải thích.”

DOI: PNAS, năm 2021. 10.1073 / pnas.2102267118 (Về DOIs).

Được sự cho phép của Viện Công nghệ California.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *