Studie: Mieren creëren stabiele tunnels in nesten, net als mensen die jinga spelen

Mieren zijn geweldige gravers, die uitgebreide nesten met meerdere niveaus bouwen, verbonden door een ingewikkeld netwerk van tunnels, soms tot een diepte van 25 voet. Nu heeft een team van wetenschappers van het California Institute of Technology röntgenfoto’s gebruikt om het proces vast te leggen van hoe mieren hun tunnels bouwen. Wetenschappers hebben ontdekt dat mieren zijn geëvolueerd om intuïtief graankorrels waar te nemen die ze kunnen verwijderen terwijl de structuur stabiel blijft, net als het verwijderen van individuele blokken in een spel. jenga. Het team beschreef hun werk op nieuw papier Gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences.

Wetenschappers die geïnteresseerd zijn in collectief gedrag bestuderen al tientallen jaren mieren. Dit komt omdat de mieren zich als groep gedragen als een vorm van korrelige media. Weinig mieren op afstand gedragen zich zo goed als individuele mieren. maar Pak er genoeg in Dicht bij elkaar en werkend als één eenheid vertonen ze vaste en vloeibare eigenschappen. Je kunt vuurmieren bijvoorbeeld uit een theepot gieten, of de mieren kunnen aan elkaar gekoppeld worden om drijvende torens of vlotten te bouwen. Mieren zijn misschien kleine wezens met kleine hersenen, maar deze sociale insecten zijn in staat om: Organiseren zich collectief In een zeer efficiënte gemeenschap om het voortbestaan ​​van de kolonie te verzekeren.

Een aantal jaar geledenGedragsbioloog Guy Theraolase van het Institute for Advanced Studies in Toulouse, Frankrijk, en verschillende collega’s combineerden laboratoriumexperimenten met Argentijnse mieren en computermodellering om Definieer drie eenvoudige regels Beheersing van het gedrag van mieren bij het graven van tunnels. Voor intelligentie: (1) mieren pikken korrels op met een constante snelheid (ongeveer 2 korrels per minuut); (ii) Mieren geven er de voorkeur aan hun korrels in de buurt van andere korrels af te werpen om pluimen te vormen; en (3) mieren selecteren meestal korrels die zijn gemarkeerd met een chemisch feromoon nadat andere mieren ze hebben behandeld. Theraolase en anderen. Hij bouwde een computersimulatie op basis van deze drie regels en ontdekte dat de virtuele mieren na een week een structuur hadden gebouwd die erg leek op echte mierennesten. Ze concluderen dat deze regels voortkomen uit lokale interacties tussen individuele mieren, zonder dat centrale coördinatie nodig is.

Onlangs, een papier 2020 dat heb ik gevonden sociale dynamiek Hoe de arbeidsverdeling ontstaat in een mierenkolonie is vergelijkbaar met hoe politieke polarisatie zich ontwikkelt in menselijke sociale netwerken. Mieren blinken ook uit in het reguleren van hun eigen verkeersstroom. een Studie 2018 Door Daniel Goldman’s groep bij Georgia Tech onderzocht hoe vuurmieren tunnelinspanningen kunnen verbeteren zonder files te veroorzaken. zoals we zijn Ik noemde op dat moment, concludeerde de groep dat wanneer een mier een tunnel tegenkomt waarin andere mieren al rennen, hij zich terugtrekt om een ​​andere tunnel te vinden. En slechts een klein deel van de kolonie graaft tegelijk: 30 procent van hen doet 70 procent van het werk.

David Ho’s biologische voortbewegingsgroep bij Georgia Tech bestudeerde ook vuurmieren. in 2019, Hij en zijn collega’s meldden: Dat de vuurmieren actief de veranderingen in de krachten op hun drijvende vlot konden voelen. Mieren herkennen verschillende omstandigheden voor vloeistofstroom en kunnen hun gedrag dienovereenkomstig aanpassen om het vlot stabiel te houden. Een riem die door het rivierwater beweegt, zal een reeks draaikolken creëren (bekend als een afschuddende vortex), waardoor de vlotten van de mieren gaan draaien. Deze wervels kunnen ook extra krachten uitoefenen op het vlot, genoeg om het uit elkaar te halen. De veranderingen in zowel de middelpuntvliedende krachten als de afschuifkrachten die op het vlot inwerken, zijn erg klein – misschien 2 tot 3 procent van de normale zwaartekracht. Op de een of andere manier kunnen mieren deze kleine verschuivingen met hun lichaam voelen.

Dit laatste artikel richt zich op westerse oogstmieren (Pogonomyrmex occidentalis), werd gekozen vanwege zijn vruchtbare vermogen om op millimeterschaal in grondkorrels te graven. Co-auteur Jose Andrade, een werktuigbouwkundig ingenieur bij Caltech, werd geïnspireerd om tunnelmieren te verkennen na het zien van voorbeelden van: Mierennest kunst. De stukken worden gemaakt door een soort gesmolten metaal, gips of cement in de mierenhoop te gieten, die door alle tunnels stroomt en uiteindelijk stolt. De omringende grond wordt vervolgens verwijderd om de uiteindelijke complexe structuur te onthullen. Andrade was zo onder de indruk dat hij zich begon af te vragen of de mieren echt “weten” hoe ze die structuren moesten opgraven.

Andrade werkte aan het project samen met Caltech-bio-ingenieur Joe Parker; Het onderzoek van Parker richt zich op de ecologische relaties van mieren met andere soorten. “We hebben geen mieren geïnterviewd om te vragen of ze wisten wat ze deden, maar we begonnen met het uitgangspunt dat ze bewust aan het graven waren,” Andrade zei:. “We gingen ervan uit dat de mieren misschien aan het spelen waren” jenga. “

Met andere woorden, de onderzoekers vermoedden dat mieren door de grond zwerven op zoek naar losse korrels om te verwijderen, net zoals mensen zoeken naar losse klonten om ze te verwijderen van jenga torentje, waardoor de kritische lagerstukken op hun plaats blijven. Deze blokken maken deel uit van wat bekend staat als een “krachtketen” die blokken (of korrelige gronddeeltjes, in het geval van een mierenhoop) samenhoudt om een ​​stabiele structuur te creëren.

Voor hun experimenten mengden Andrade en zijn collega’s 500 ml koekretaarde met 20 ml water en deden het mengsel in verschillende kleine kopjes aarde. De maat van de kopjes is gekozen vanwege het gemak waarmee ze in de CT-scanner passen. Met vallen en opstaan ​​- te beginnen met een enkele mier en het aantal geleidelijk te verhogen – bepaalden de onderzoekers het aantal mieren dat nodig was om de optimale graafsnelheid te bereiken: 15.

Het team nam elke 10 minuten vier en een halve minuut de tijd terwijl de mieren een tunnel aan het graven waren om hun voortgang te volgen. Van de resulterende 3D-afbeeldingen creëerden ze een “digitale avatar” voor elk onderdeel in het monster, waarbij de vorm, positie en oriëntatie van elke korrel werden vastgelegd – die allemaal een grote invloed kunnen hebben op de verdeling van krachten in bodemmonsters. De onderzoekers waren ook in staat om de volgorde te leren waarin elke kraal door de mieren werd verwijderd door afbeeldingen die in verschillende staten in de tijd waren genomen, te vergelijken.

De mieren waren niet altijd meewerkend als het ging om het serieus graven van hun tunnels. ‘Ze zijn een beetje nagebootst’ Andrade zei:. “Ze graven wanneer ze willen. We zouden deze mieren in een container stoppen, en sommigen zouden meteen beginnen te graven, en ze zouden deze verbazingwekkende vooruitgang boeken. Maar anderen – het zou uren duren en helemaal niet graven. Sommigen zouden voor een terwijl en stop dan en rust.”

Andrade en Parker merken in hun analyse enkele opkomende patronen op. Mieren graven bijvoorbeeld meestal langs de binnenranden van de kopjes – een effectieve strategie, omdat de zijkanten van de kopjes deel kunnen uitmaken van de structuur van de tunnels, wat de mieren een beetje moeite bespaart. De mieren gaven ook de voorkeur aan de rechte lijnen van hun tunnels, een techniek die de efficiëntie verbetert. De mieren hadden de neiging om hun tunnels zo hard mogelijk te graven. Voor zover mogelijk in een korrelig medium als grond wordt de “rusthoek” genoemd; Als je die hoek overschrijdt, stort de structuur in. Op de een of andere manier kunnen mieren deze kritieke drempel voelen en ervoor zorgen dat hun tunnels niet verder gaan dan de rusthoek.

Voor basisfysica ontdekte het team dat wanneer de mieren de grondkorrels verwijderden om hun tunnels te graven, de krachtketens die op de structuur inwerkten, zichzelf herschikten vanuit een willekeurige verdeling om een ​​soort voering rond de buitenste tunnel te vormen. Deze herverdeling van krachten versterkt de bestaande tunnelwanden en verlicht de druk die de korrels aan het einde van de tunnel uitoefenen, waardoor het voor mieren gemakkelijker wordt om die korrels te verwijderen om de tunnel nog verder uit te breiden.

“Het is zowel in de techniek als in de mierenecologie een mysterie geweest hoe mieren deze decennia-oude structuren bouwen,” zei hij. Parker zei:. “Het blijkt dat door het verwijderen van het graan in dit patroon dat we hebben waargenomen, de mieren profiteren van deze oceanische krachtketens terwijl ze zich ingraven.” Mieren drukken op afzonderlijke korrels om de mechanische krachten die erop worden uitgeoefend te beoordelen.

Parker denkt dat het een soort gedragsalgoritme is. Dat algoritme bestaat niet in een enkele mier. Hij zei. “Het is het ontluikende koloniegedrag van al deze arbeiders die zich gedragen als superorganismen. Hoe dit gedragsprogramma zich verspreidt door de micro-hersenen van al deze mieren is een van de wonderen van de natuurlijke wereld waarvoor we geen verklaring hebben.”

DOI: PNAS, 2021. 10.1073/pnas.2102267118 (Over DOI’s).