september 24, 2021

Nettnord.no

Næringsnett Nord-Troms

Studie: Maur oppretter stabile redetunneler, akkurat som mennesker spiller Jenga

Studie: Maur oppretter stabile redetunneler, akkurat som mennesker spiller Jenga

Forstørre / To maur tunneler i grønn gel. En ny Caltech -studie fant at maur søker etter og fjerner løse jordkorn når de graver sine tunneler, omtrent som mennesker fjerner løse blokker mens de spiller spill. Jenga.

Maur er fantastiske gravere, og bygger forseggjorte reir med flere lag forbundet med et intrikat nettverk av tunneler, som noen ganger når dybder på 25 fot. Nå har et team av Caltech-forskere brukt røntgenbilder for å fange prosessen med hvordan maur bygger sine tunneler. Forskere oppdaget at maur har utviklet seg til intuitivt å kjenne hvilke kornpartikler de kan fjerne samtidig som de opprettholder strukturens stabilitet, omtrent som å fjerne individuelle blokker i et spill med Jenga. Teamet beskrev sitt arbeid i en ny rolle publisert i Proceedings of the National Academy of Sciences.

Forskere som er interessert i kollektiv oppførsel har studert maur i flere tiår. Det er fordi mauren som en gruppe fungerer som en form for granulært medium. Noen maur med god avstand oppfører seg som individuelle maur. Men pakke nok av dem veldig tett sammen og fungerer mer som en enkelt enhet, som viser både faste og flytende egenskaper. Du kan for eksempel helle ildmaur fra en kjele, eller myrene kan binde seg sammen for å bygge flytende tårn eller flåter. Maur kan være ørsmå skapninger med små hjerner, men disse sosiale insektene er i stand til det organisere kollektivt i et svært effektivt samfunn for å sikre at kolonien overlever.

Mange år siden, atferdsbiolog Guy theraulaz fra Institute for Advanced Studies i Toulouse, Frankrike, og flere kolleger kombinerte laboratorieeksperimenter med argentinske maur og datamodellering til identifisere tre enkle regler som styrer tunnelmønsteret til maur. Nemlig: (1) mauren samlet korn med en konstant hastighet (ca. 2 korn per minutt); (2) maurene droppet fortrinnsvis kornene sine nær andre korn for å danne søyler; og (3) maur velger vanligvis korn merket med et kjemisk feromon etter å ha blitt håndtert av andre maur. Theraulaz et al. Han bygde en datasimulering basert på de tre reglene og fant ut at etter en uke bygde hans virtuelle maur en struktur som lignet mye på ekte maurreir. De konkluderte med at disse reglene stammer fra lokale interaksjoner mellom individuelle maur, uten behov for sentral koordinering.

READ  Et fantastisk blikk på de skjulte mysteriene til brehulene

Mer nylig, a 2020 papir Jeg fant ut at sosial dynamikk Hvordan arbeidsdelingen oppstår i en maurekoloni ligner på hvordan politisk polarisering utvikler seg i menneskelige sosiale nettverk. Maur utmerker seg også med å regulere sin egen trafikkflyt. TIL Studere 2018 av Daniel Goldmans gruppe ved Georgia Tech undersøkte hvordan brannmyrer optimaliserer tunnelinnsatsen uten å forårsake trafikkork. Som oss rapporterte den gangen, konkluderte gruppen med at når en maur finner en tunnel der andre maur allerede jobber, trekker den seg tilbake for å finne en annen tunnel. Og bare en liten brøkdel av kolonien graver til enhver tid: 30 prosent av dem gjør 70 prosent av arbeidet.

David Hu’s biolocomotion -gruppe ved Georgia Tech har også studert brannmyrer. I 2019, rapporterte han og kollegene at brannmyrer aktivt kan fornemme endringer i kreftene som virker på deres flytende flåte. Maur gjenkjenner forskjellige væskestrømningsforhold og kan tilpasse sin oppførsel deretter for å bevare stabiliteten til flåten. En padle som beveger seg gjennom elvevannet vil skape en rekke virvler (kjent som virvelkasting), noe som får maurflåtene til å snurre. Disse virvlene kan også utøve ytterligere krefter på flåten, nok til å bryte den. Endringene i sentrifugal- og skjærkreftene som virker på flåten er ganske små, kanskje 2 til 3 prosent av kraften til normal tyngdekraft. Imidlertid kan maur føle disse små endringene med kroppen sin.

Denne siste artikkelen fokuserer på vestlige hogstmyrer (Pogonomyrmex occidentalis), valgt for sin produktive gravekapasitet med millimeterskala jordkorn. Medforfatter José Andrade, en maskiningeniør fra Caltech, ble inspirert til å utforske tunnelkjedelige maur etter å ha sett eksempler på maurtue kunst. Brikkene blir til ved å helle et slags smeltet metall, gips eller sement i en maurhaug, som renner gjennom alle tunnelene og til slutt herder. Det omkringliggende smusset blir deretter fjernet for å avsløre den siste intrikate strukturen. Andrade var så imponert at han begynte å lure på om maurene virkelig “visste” hvordan de skulle grave disse strukturene.

READ  NASA forsinker Lunar Lander Awards da Bidens team reflekterer over Moonshot-programmet
Øverst til venstre: den eksperimentelle designen.  Øverst til høyre: Røntgenbilde av en fullført tunnel.  Nederst til venstre: Montering av en modell av fjernede partikler.  Nederst til høyre: digital gjenskapning av partiklene som ble fjernet av maurene på deres opprinnelige plassering.
Forstørre / Øverst til venstre: den eksperimentelle designen. Øverst til høyre: Røntgenbilde av en fullført tunnel. Nederst til venstre: Montering av en modell av fjernede partikler. Nederst til høyre: digital gjenskapning av partiklene som ble fjernet av maurene på deres opprinnelige plassering.

RB de Macedo et al., 2021

Andrade inngikk samarbeid med Caltech biologiske ingeniør Joe Parker for prosjektet; Parkers forskning fokuserer på de økologiske forholdene mellom maur og andre arter. “Vi intervjuet ingen maur for å spørre om de vet hva de gjør, men vi begynte med hypotesen om at de bevisst graver.” Sa Andrade. “Vi gjettet at maurene lekte kanskje Jenga. “

Med andre ord mistenkte forskerne at maur ble spunnet i jorden for å fjerne løse korn, på samme måte som folk søker etter løse blokker for å fjerne fra en Jenga tårn, og etterlater kritiske bærende stykker på plass. Disse blokkene er en del av det som er kjent som en “kraftkjede” som tjener til å klemme blokkene (eller granulære jordpartikler, i tilfelle av en maurtue) for å skape en stabil struktur.

For sine eksperimenter blandet Andrade og hans kolleger 500 ml Quikrete -jord med 20 ml vann og la blandingen i flere små kopper jord. Størrelsen på koppene ble valgt for å gjøre det enkelt å plassere dem i en CT -skanner. Gjennom prøving og feiling, som begynte med en maur og gradvis økte antallet, bestemte forskerne antall maur som trengs for å oppnå den optimale utgravingshastigheten: 15.

Laget tok fire minutter med halv oppløsning hvert 10. minutt da maurene lagde tunneler for å overvåke fremdriften. Fra de resulterende 3D -bildene opprettet de en “digital avatar” for hver partikkel i prøven, som fanger formen, posisjonen og orienteringen til hvert korn, som alle kan påvirke fordelingen av krefter i jordprøver betydelig. Forskerne var også i stand til å finne ut i hvilken rekkefølge maurene fjernet hver kvise ved å sammenligne bilder tatt på forskjellige tidspunkter.

READ  Imágenes del espacio: lo mejor de 2020
Granulære krefter (svarte linjer) på samme sted i jorden før (venstre) og etter (høyre) utgravning av en maurtunnel.
Forstørre / Granulære krefter (svarte linjer) på samme sted i jorden før (venstre) og etter (høyre) utgravning av en maurtunnel.

José E. Andrade og David R. Miller / Caltech

Maur var ikke alltid samarbeidsvillig når det gjaldt å grave sine tunneler flittig. “De er litt lunefulle” Sa Andrade. “De graver når de vil. Vi ville putte disse maurene i en beholder, og noen ville begynne å grave med en gang og gjøre fantastiske fremskritt. Men andre, det ville ta timer og de ville ikke grave i det hele tatt. Og noen ville grave en stund og deretter stoppe og ta en pause “.

Andrade og Parker noterte noen nye mønstre i analysen. For eksempel vil mauren generelt grave langs de indre kantene på kalesjene, en effektiv strategi, ettersom kalesjens sider kan tjene som en del av tunnelstrukturen, noe som sparer dem for en viss innsats. Maurene favoriserte også rette linjer for sine tunneler, en taktikk som optimaliserer effektiviteten. Og maurene hadde en tendens til å grave tunnelene sine så bratte som mulig. Den bratteste grensen som er mulig i et granulert medium som jord kalles “hvilevinkelen”; overskrider den vinkelen, og strukturen vil kollapse. På en eller annen måte kan mauren ane den kritiske terskelen, og sørge for at tunnelene deres aldri overskrider hvilevinkelen.

Når det gjelder den underliggende fysikken, fant teamet ut at da maurene fjernet jordkorn for å grave sine tunneler, omformet kraftkjedene som virker på strukturen seg fra en tilfeldig fordeling for å danne en slags foring rundt strukturen. Utsiden av en tunnel . Denne fordelingen av krefter styrker de eksisterende tunnelveggene og lindrer trykket fra kornene i enden av tunnelen, noe som gjør det lettere for maur å fjerne disse kornene for å forlenge tunnelen ytterligere.

“Det har vært et mysterium i både ingeniørfag og maurøkologi hvordan maur bygger disse strukturene som vedvarer i flere tiår.” Sa Parker. “Det viser seg at ved å fjerne kornene i dette mønsteret som vi observerte, får maurene fordeler av disse omkretsene av kraftkjeder når de graver ut.” Maurene dunker individuelle korn for å vurdere de mekaniske kreftene som utøves på dem.

Parker ser på det som en slags atferdsalgoritme. “Den algoritmen eksisterer ikke i en enkelt maur”, han sa. “Det er denne nye koloniadferden til alle disse arbeiderne som oppfører seg som en superorganisme. Måten atferdsprogrammet sprer seg gjennom de små hjernene til alle disse maurene, er et vidunder i den naturlige verden som vi ikke har noen forklaring på.”

DOI: PNAS, 2021. 10.1073 / pnas.2102267118 (Om DOIer).

Hilsen av Caltech.