Settembre 24, 2021

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Studio: le formiche creano tunnel stabili nei nidi, proprio come gli umani che giocano a jinga

Ingrandisci / Due formiche che scavano un tunnel con gelatina verde. Un nuovo studio del California Institute of Technology rileva che le formiche cercano e rimuovono i granelli di terreno sciolti quando scavano i loro tunnel, proprio come gli umani rimuovono i grumi durante il gioco. jenga.

Le formiche sono incredibili scavatrici, che costruiscono elaborati nidi a più livelli collegati da un’intricata rete di tunnel, che a volte raggiungono profondità fino a 25 piedi. Ora, un team di scienziati del California Institute of Technology ha utilizzato l’imaging a raggi X per catturare il processo con cui le formiche costruiscono i loro tunnel. Gli scienziati hanno scoperto che le formiche si sono evolute per percepire intuitivamente particelle di grano che possono rimuovere mantenendo stabile la struttura, proprio come rimuovere i singoli blocchi in un gioco. jenga. Il team ha descritto il proprio lavoro su nuovo documento Pubblicato in Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze.

Gli scienziati interessati al comportamento collettivo studiano le formiche da decenni. Questo perché le formiche, come gruppo, si comportano come una qualche forma di media granulare. Poche formiche distanziate si comportano come le singole formiche. ma Preparane abbastanza Strettamente insieme e lavorando come un’unica unità, mostrano proprietà solide e liquide. Ad esempio, puoi versare le formiche del fuoco da una teiera, oppure le formiche possono unirsi per costruire torri galleggianti o zattere. Le formiche possono essere piccole creature con un cervello piccolo, ma questi insetti sociali sono capaci di Organizzarsi collettivamente In una comunità altamente efficiente per garantire la sopravvivenza della colonia.

Diversi anni faBiologo comportamentale Guy Theraolase dell’Istituto di studi avanzati di Tolosa, in Francia, e diversi colleghi hanno combinato esperimenti di laboratorio con formiche argentine e modelli al computer per Definisci tre semplici regole Controllo del comportamento delle formiche nello scavo di gallerie. Per l’intelligenza: (1) le formiche raccolgono i grani a una velocità costante (circa 2 grani ogni minuto); (ii) Le formiche preferiscono gettare i loro grani vicino ad altri grani per formare pennacchi; e (3) le formiche di solito selezionano i grani contrassegnati con un feromone chimico dopo che altre formiche li hanno trattati. teraolasi e altri. Ha costruito una simulazione al computer basata su queste tre regole e ha scoperto che dopo una settimana le formiche virtuali avevano costruito una struttura molto simile ai formicai reali. Concludono che queste regole emergono dalle interazioni locali tra le singole formiche, senza la necessità di un coordinamento centrale.

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Recentemente, a carta 2020 l’ho trovato dinamica sociale Il modo in cui emerge la divisione del lavoro in una colonia di formiche è simile a come si sviluppa la polarizzazione politica nelle reti sociali umane. Le formiche eccellono anche nel regolare il proprio flusso di traffico. un Studio 2018 Dal gruppo di Daniel Goldman presso la Georgia Tech ha studiato come le formiche del fuoco possono migliorare gli sforzi di tunneling senza causare ingorghi. come siamo Ho detto in quel momento, il gruppo ha concluso che quando una formica incontra un tunnel in cui stanno già correndo altre formiche, si ritira per trovare un altro tunnel. E solo una piccola parte della colonia scava alla volta: il 30 percento di loro fa il 70 percento del lavoro.

Anche il gruppo di locomozione biologica di David Ho alla Georgia Tech ha studiato le formiche del fuoco. nel 2019, Lui e i suoi colleghi hanno riferito Che le formiche del fuoco potessero sentire attivamente i cambiamenti nelle forze che agiscono sulla loro zattera galleggiante. Le formiche riconoscono diverse condizioni per il flusso del fluido e possono adattare il loro comportamento di conseguenza per mantenere stabile la zattera. Un remo che si muove attraverso l’acqua del fiume creerà una serie di vortici (noti come vortice di spargimento), facendo girare le zattere delle formiche. Questi vortici possono anche esercitare forze aggiuntive sulla zattera, sufficienti a romperla. Le variazioni sia delle forze centrifughe che delle forze di taglio che agiscono sulla zattera sono molto piccole, forse dal 2% al 3% della normale forza gravitazionale. Tuttavia, in qualche modo, le formiche possono sentire questi piccoli cambiamenti con i loro corpi.

Quest’ultimo articolo si concentra sulle formiche mietitrici occidentali (Pogonomyrmex occidentalis), è stato scelto per la sua prolifica capacità di scavare nei grani del suolo su scala millimetrica. Il coautore Jose Andrade, un ingegnere meccanico al Caltech, è stato ispirato a esplorare le formiche tunnel dopo aver visto esempi di Formicaio arte. I pezzi vengono creati versando una sorta di metallo fuso, gesso o cemento nel formicaio, che scorre attraverso tutti i tunnel e alla fine si solidifica. Il terreno circostante viene quindi rimosso per rivelare la struttura complessa finale. Andrade rimase così colpito che iniziò a chiedersi se le formiche “sassero” davvero come scavare quelle strutture.

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In alto a sinistra: disegno sperimentale.  In alto a destra: immagine a raggi X di un tunnel completato.  In basso a sinistra: adattamento del modello delle particelle rimosse.  In basso a destra: Ricostituzione numerica delle particelle rimosse dalle formiche nel sito iniziale.
Ingrandisci / In alto a sinistra: disegno sperimentale. In alto a destra: immagine a raggi X di un tunnel completato. In basso a sinistra: adattamento del modello delle particelle rimosse. In basso a destra: Ricostituzione numerica delle particelle rimosse dalle formiche nel sito iniziale.

RBD Macedo et al., 2021

Andrade ha collaborato con il bioingegnere del Caltech Joe Parker al progetto; La ricerca di Parker si concentra sulle relazioni ecologiche delle formiche con altre specie. “Non abbiamo intervistato nessuna formica per chiedere se sapeva cosa stesse facendo, ma abbiamo iniziato con la premessa che stavano scavando in modo deliberato”, Andrade ha detto. “Pensavamo che le formiche stessero giocando jenga. “

In altre parole, i ricercatori sospettavano che le formiche vagassero per il terreno alla ricerca di grani sciolti da rimuovere, allo stesso modo in cui le persone cercano ciuffi sciolti da cui rimuoverli. jenga torretta, lasciando in posizione i pezzi critici del cuscinetto. Questi blocchi fanno parte di quella che è nota come una “catena di forza” che blocca insieme i blocchi (o le particelle di terreno granulare, nel caso di un formicaio) per creare una struttura stabile.

Per i loro esperimenti, Andrade e i suoi colleghi hanno mescolato 500 ml di terreno koekret con 20 ml di acqua e hanno messo la miscela in diverse piccole tazze di terra. La dimensione delle coppe è stata scelta per la loro facilità di inserimento all’interno dello scanner CT. Attraverso tentativi ed errori, iniziando con una singola formica e aumentando gradualmente il numero, i ricercatori hanno determinato il numero di formiche necessarie per raggiungere la velocità di scavo ottimale: 15.

La squadra ha impiegato quattro minuti e mezzo ogni 10 minuti mentre le formiche stavano scavando un tunnel per monitorare i loro progressi. Dalle immagini 3D risultanti, hanno creato un “avatar digitale” per ogni parte del campione, catturando la forma, la posizione e l’orientamento di ciascun grano, il che può influenzare notevolmente la distribuzione delle forze nei campioni di terreno. I ricercatori sono stati anche in grado di apprendere l’ordine in cui ciascuna perlina è stata rimossa dalle formiche confrontando le immagini scattate in diversi stati nel tempo.

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Forze granulari (linee nere) nella stessa posizione nel terreno prima (a sinistra) e dopo (a destra) il tunnel delle formiche.
Ingrandisci / Forze granulari (linee nere) nella stessa posizione nel terreno prima (a sinistra) e dopo (a destra) il tunnel delle formiche.

Jose E. Andrade e David R. Miller / Caltech

Le formiche non erano sempre collaborative quando si trattava di scavare seriamente i loro tunnel. “Sono un po’ imitati” Andrade ha detto. “Scavano quando vogliono. Metteremmo queste formiche in un contenitore, e alcune inizierebbero a scavare subito, e farebbero progressi incredibili. Ma altri, impiegherebbero ore e non scaverebbero affatto. Alcuni scaverebbero per un mentre e poi fermati e riposati.”

Andrade e Parker notano alcuni modelli emergenti nella loro analisi. Ad esempio, le formiche di solito si insinuano lungo i bordi interni delle tazze: una strategia efficace, poiché i lati delle tazze possono far parte della struttura dei tunnel, risparmiando alle formiche un piccolo sforzo. Le formiche preferivano anche le linee rette dei loro tunnel, una tecnica che migliora l’efficienza. Le formiche tendevano a scavare i loro tunnel il più duramente possibile. Per quanto possibile in un mezzo granulare come il suolo è chiamato “angolo di riposo”; Supera quell’angolo e la struttura crollerà. In qualche modo, le formiche possono percepire questa soglia critica, assicurandosi che i loro tunnel non vadano oltre l’angolo di riposo.

Per la fisica di base, il team ha scoperto che quando le formiche rimuovevano i granelli di terreno per scavare i loro tunnel, le catene di forza che agiscono sulla struttura si riorganizzavano da una distribuzione casuale per formare una sorta di rivestimento attorno al tunnel esterno. Questa ridistribuzione delle forze rafforza le pareti del tunnel esistenti e allevia la pressione che i grani esercitano alla fine del tunnel, rendendo più facile per le formiche rimuovere quei grani per estendere ulteriormente il tunnel.

“È stato un mistero sia nell’ingegneria che nell’ecologia delle formiche come le formiche costruissero queste strutture vecchie di decenni”, ha detto. Parker ha detto. “Si scopre che rimuovendo la grana in questo schema che abbiamo osservato, le formiche stanno sfruttando queste catene di forza oceanica mentre scavano”. Le formiche premono sui singoli grani per valutare le forze meccaniche esercitate su di essi.

Parker pensa che sia una specie di algoritmo comportamentale. Quell’algoritmo non esiste all’interno di una singola formica. Egli ha detto. “È il comportamento nascente della colonia di tutti questi lavoratori che si comportano come superorganismi. Il modo in cui questo programma comportamentale si diffonde attraverso i microcervelli di tutte queste formiche è una delle meraviglie del mondo naturale per cui non abbiamo alcuna spiegazione”.

DOI: PNAS, 2021. 10.1073/pnas.2102267118 (Informazioni sui DOI).

Per gentile concessione del California Institute of Technology.