Néhány egyszerű szabály meghatározza, hogy az úszó tűzhangya tutajok hogyan változtatják alakjukat az idő múlásával

A tűzhangyák a csoportos viselkedés bibliai példái, képesek egyénileg viselkedni, és egyesülve úszó tutajokat alkotnak az áradásokra válaszul. A Colorado-i Egyetem (Boulder) gépészmérnökei néhány egyszerű szabályt azonosítottak, amelyek szabályozni látszanak, hogy a lebegő tűzhangya tutajok hogyan húzódnak össze és tágítják alakjukat idővel. új lap Megjelent a PLOS Computational Biology folyóiratban. A remény az, hogy a tűzhangyák viselkedése mögött meghúzódó egyszerű szabályok jobb megértésével jobb algoritmusokat dolgozhatnak ki, amelyek szabályozzák a robotrajok interakcióját.

Ez nem mentális erő vagy gondos tervezés kérdése. „Ez a viselkedés lényegében spontán módon fordulhat elő” – mondta Robert Wagner társszerző. „Nincs szükség központi döntéshozatalra a hangyák részéről.” Valójában „a hangyák nem olyan intelligensek, mint gondolnánk, de együttesen nagyon intelligens és rugalmas közösségekké válnak”. Frank Fernery társszerző mondta:.

ahogy vagyunk az előbb említettem, néhány jól elhelyezkedő hangya egyéni hangyaként viselkedik. De csomagoljon belőlük elég szorosan egymás mellé, és úgy fognak viselkedni, mint egy egység, szilárd és folyékony tulajdonságokat mutatva. Tutajokat vagy tornyokat formálhat belőle, sőt a teáskannából is kiöntheti folyadékként. A tűzhangyák a hangyáik rendszerezésében is jeleskednek A forgalom áramlása.

Bármely hangya önmagában is rendelkezik bizonyos mennyiségű hidrofóbiával – víztaszító képességgel – és ez Az ingatlan sűrítve lett Amikor össze vannak kötve, úgy szövik testüket, mint egy vízálló szövet. Összegyűjtik a tojásokat, a fészekalagutain keresztül feljutnak a felszínre, és ahogy az árvíz felemelkedik, állkapcsaikkal és karmaikkal marják egymás testét, amíg egy lapos, tutajszerű szerkezet nem alakul ki, és minden hangya úgy viselkedik. egyedi molekula egy anyagban – mondjuk homokszemek egy kupac homokban.

A hangyák ezt kevesebb, mint 100 másodperc alatt képesek elérni. Ráadásul a hangyatutaj „öngyógyító”: elég erős ahhoz, hogy ha itt-ott elveszik egy hangya, a teljes szerkezet stabil és sértetlen maradhat, akár hónapokig is. Röviden: a hangyatutaj szuperorganizmus.

2019-ben a Georgia Tech kutatói Bizonyítsd A tűzhangyák aktívan érzékelik a tutajra ható erők változásait különböző folyadékviszonyok között, és ennek megfelelően alakítják viselkedésüket, hogy a tutajt stabilan tartsák. Például a nyíróerővel a tutaj területe sokkal kisebb volt, mint amikor a hangyák csak a centrifugális erővel találkoztak. Az utóbbi hangyák bárhol is vannak a hangyatutajban, a legerősebb nyíróerőt csak a határon lévő hangyák tapasztalják. A tudósok azt feltételezték, hogy a kis tutajok annak az eredménye, hogy a hangyák megpróbálták elkerülni, hogy a határon legyenek, csökkentve ezzel a felületet.

A Georgia Tech csapata azt is észrevette, hogy a tutajon lévő tűzhangyák tovább vizsgálják, hogy a tutaj álló-e vagy sem, általában vízszintesen, de függőlegesen is terjed, hogy ideiglenes toronyszerű építményeket építsenek annak reményében, hogy találnak egy függő ágat, amelyen megszáradhat. . Föld. Sokkal kevésbé lenne felfedező viselkedés, ha a hangyatutaj a centrifugális vagy nyíróerők hatására elfordulna.

Vernerey és Wagner új kutatása azon alapul tanulmány Tavaly jelentek meg. Kísérleteket végeztek úgy, hogy tűzhangyák hordáit ejtették egy vödör vízbe, közepén függőleges műanyag rúddal, majd megfigyelték a hangyák tutajépítési viselkedését a következő nyolc órában. Az ötlet az volt, hogy megfigyeljük, hogyan fejlődtek a tutajok az idők során. Vegye figyelembe, hogy a pontonok nem tartották meg alakjukat. Néha a szerkezetek sűrű hangyák köré tömörülnek. Máskor a hangyák elkezdenek szétterülni, hogy hídszerű nyúlványokat képezzenek, és néha arra használják őket, hogy kiszabaduljanak a burkolatból, ami arra utal, hogy a viselkedés evolúciós előnyt jelenthet.

A párost lenyűgözte, hogy a hangyák hogyan érik el ezeket az alakváltozásokat az általuk „malomnak” nevezett eljárással. Az úszók alapvetően két különálló rétegből állnak. Az alsó réteg hangyái szerkezeti célt szolgálnak, mivel a tutaj stabil alapját képezik. De a felső réteg hangyái szabadon mozognak az alsó rétegben lévő testvéreikhez kapcsolódó testek felett. A hangyák néha az alsó rétegből a felső rétegbe, vagy a felső rétegből az alsó rétegbe mozognak egy ciklusban, amelyet Wagner „pite alakú ördögi körnek” nevez.

Vernerey és Wagner azt akarta megállapítani, hogy ez a futópados viselkedés a hangyák szándékos döntése volt-e, vagy spontán módon jelent meg. Ezért kidolgoztak egy sor faktor-alapú modellt, amelyek 2000 részecskéből („faktorok”) álltak, amelyek minden egyes hangyát reprezentálnak, és vízcsomópontok hálózatára korlátozódnak. A munkáshangyák egyik csoportja (ciánnal) alkotta a szerkezeti maghálózatot; a másik a munkáshangyák (pirossal jelölve) szabadon mozoghatnak felettük.

A hangyák úgy vannak programozva, hogy kövessenek egy egyszerű szabályrendszert, például elkerüljék az ütközést más hangyákkal, és ne esjenek a vízbe („széllerakódási szabály”). Aztán hagyták játszani a szimulációt. A szimulált hangyák pedig nagyon úgy viselkedtek, mint valós társaik.

Például, amikor az aktív munkáshangyák elérik a tutaj szélét és vízzel érintkeznek, elkerülik a vízbe költözést, kivéve, ha a közeli aktív munkáshangyák erre kényszerítik – és csak akkor, ha elegendő hangya tartja a szerkezetet. hogy megragadja. A szimulációk azt is kimutatták, hogy hídszerű kiemelkedések spontán alakultak ki, és a kutatóknak sikerült összefüggésbe hozniuk ezeket a képződményeket a hangyák relatív aktivitásával. Minél aktívabbak a hangyák, annál valószínűbb, hogy elkezdenek kialakulni a dudorok.

„A sarkantyúk hegyén lévő hangyák szinte a vízbe lökődnek a szélétől, ami egy menekülési hatást kelt” – mondta Wagner. Lehetséges, hogy ezeket a kiemelkedéseket a tűzhangyák egy tutajon használják környezetük felfedezésére, esetleg fatörzsek vagy szárazföld után kutatva.

A szerzők arra a következtetésre jutottak, hogy „Bár a jelzőtényezőket, például a feromonokat nem zárják ki, és a jövőbeni kísérleti vizsgálatok során tesztelni kell, ez a modell általában olyan helyi mechanizmusokat kínál, amelyek segítségével a tűzhangyák képesek elérni a járást és a fajdfajd növekedését központi irányítás vagy céltudatos szándék nélkül.” Ugyanakkor elismerik, hogy ez egy homogén modell, és valószínű, hogy több szabályrendszer szabályozza a futópadok viselkedését és a sarkantyúk megjelenését – ez egy másik kutatási terület a jövőben.

DOI: PLOS Computational Biology, 2022. 10.1371 / journal.pcbi.1009869 (A DOI-król).