Las hormigas crean túneles estables en los nidos, al igual que los humanos que desempeñan el papel de jenga

Las hormigas son excavadoras increíbles, construyen nidos elaborados de varios niveles conectados por una intrincada red de túneles, que a veces alcanzan profundidades de hasta 25 pies. Hoy, un equipo de científicos del Instituto de Tecnología de California utilizó imágenes de rayos X para capturar el proceso por el cual las hormigas construyen sus túneles. Los científicos han descubierto que las hormigas han evolucionado para detectar de forma intuitiva partículas de grano que pueden eliminar mientras mantienen la estructura estable, al igual que eliminar bloques individuales en un juego. Jenga. El equipo describió su trabajo para nuevo papel Publicado en Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

Los científicos interesados ​​en el comportamiento colectivo han estado estudiando a las hormigas durante décadas. Esto se debe a que las hormigas, como grupo, se comportan como una especie de medio granular. Algunas hormigas divergentes se comportan tan bien como las hormigas individuales. maíz empacar lo suficiente Juntos de cerca y funcionando como una sola unidad, exhiben propiedades sólidas y líquidas. Puede sacar hormigas rojas de una tetera, por ejemplo, o las hormigas pueden unirse para construir torres flotantes o balsas. Las hormigas pueden ser criaturas pequeñas con cerebros pequeños, pero estos insectos sociales son capaces de organización de grupo En una comunidad altamente efectiva para asegurar la supervivencia de la colonia.

muchos años atrásbiólogo conductual Guy Theraulas del Instituto de Estudios Avanzados de Toulouse, Francia, y varios colegas combinaron experimentos de laboratorio con hormigas argentinas y modelado por computadora para Define tres reglas simples Controla el comportamiento de las hormigas cavando túneles. Para la inteligencia: (1) las hormigas recogen granos a un ritmo constante (alrededor de 2 granos por minuto); (ii) Las hormigas prefieren lanzar sus granos cerca de otros granos para formar columnas; y (3) las hormigas normalmente seleccionan los granos marcados con una feromona química después de que otras hormigas los han procesado. Theraulas y otros. Construyó una simulación por computadora basada en estas tres reglas y descubrió que después de una semana las hormigas virtuales habían construido una estructura muy similar a los nidos de hormigas reales. Concluyen que estas reglas surgen de interacciones locales entre hormigas individuales, sin la necesidad de una coordinación central.

Recientemente papel 2020 encontré dinámica social La forma en que aparece la división del trabajo en una colonia de hormigas es similar a la forma en que se desarrolla la polarización política en las redes sociales humanas. Las hormigas también son buenas para regular su flujo de tráfico. a Estudio 2018 El grupo de Daniel Goldman en Georgia Tech investigó cómo las hormigas bravas pueden mejorar los esfuerzos de construcción de túneles sin causar atascos de tráfico. como somos Mencioné en ese momento, el grupo concluyó que cuando una hormiga encuentra un túnel en el que ya están corriendo otras hormigas, se retira para encontrar otro túnel. Y solo una pequeña parte de la colonia excava a la vez: el 30 por ciento de ellos hace el 70 por ciento del trabajo.

El grupo de locomoción biológica de David Ho en Georgia Tech también estudió hormigas bravas. en 2019, Él y sus colegas informaron Que las hormigas de fuego pudieran sentir activamente los cambios en las fuerzas que actúan sobre su balsa flotante. Las hormigas reconocen diferentes condiciones de flujo de fluidos y pueden adaptar su comportamiento en consecuencia para mantener estable la balsa. El remo que se mueve a través del agua del río producirá una serie de vórtices (conocidos como vórtices de caída), haciendo que las balsas de las hormigas giren. Estos vórtices también pueden ejercer fuerzas adicionales sobre la balsa, lo suficiente como para romperla. Los cambios en las fuerzas centrífugas y las fuerzas de corte que actúan sobre la balsa son muy pequeños, quizás del 2 al 3 por ciento de la fuerza gravitacional normal. Sin embargo, de una forma u otra, las hormigas pueden sentir estos pequeños cambios en sus cuerpos.

Este último artículo se centra en las hormigas cosechadoras occidentales (Pogonomyrmex occidentalis), debido a su prolífica capacidad para excavar en granos de suelo a escala milimétrica. El coautor José Andrade, un ingeniero mecánico de Caltech, se inspiró para explorar las hormigas tuneladoras después de ver ejemplos de esto. Arte del nido de hormigas. Las piezas se crean vertiendo algún tipo de metal fundido, yeso o cemento en el hormiguero, que atraviesa todos los túneles y finalmente se solidifica. A continuación, se retira el suelo circundante para revelar la estructura compleja final. Andrade estaba tan impresionado que comenzó a preguntarse si las hormigas realmente “sabían” cómo cavar estas estructuras.

Andrade colaboró ​​con el bioingeniero de Caltech Joe Parker en el proyecto; La investigación de Parker se centra en las relaciones ecológicas de las hormigas con otras especies. “No entrevistamos a ninguna hormiga para preguntarle si sabían lo que estaban haciendo, pero asumimos que estaban excavando intencionalmente”. Andrade dijo. “Asumimos que las hormigas podrían haber estado jugando Jenga. “

En otras palabras, los investigadores sospecharon que las hormigas limpiaban el suelo en busca de granos sueltos para eliminar, de la misma manera que las personas buscan grumos sueltos para eliminar. Jenga torre, dejando en su lugar importantes piezas de soporte. Estos grupos son parte de lo que se llama una “cadena de fuerza” que tapona los grupos (o partículas granulares del suelo, en el caso de un hormiguero) para crear una estructura estable.

Para sus experimentos, Andrade y sus colegas mezclaron 500 ml de tierra de koekret con 20 ml de agua y colocaron la mezcla en varias tazas pequeñas de tierra. El tamaño de los pozos se eligió en función de su facilidad de inserción en la máquina de TC. Mediante prueba y error, comenzando con una hormiga y aumentando gradualmente el número, los investigadores determinaron el número de hormigas necesarias para lograr la tasa óptima de excavación: 15.

El equipo tomó cuatro minutos y medio cada 10 minutos mientras las hormigas cavaban un túnel para monitorear su progreso. A partir de las imágenes 3D resultantes, crean un “avatar digital” para cada parte de la muestra, capturando la forma, posición y orientación de cada cuenta, lo que puede afectar en gran medida la distribución de fuerzas en las muestras. Tierra. Los investigadores también pudieron determinar el orden en el que se eliminaron las hormigas para cada grano comparando imágenes tomadas en diferentes estados a lo largo del tiempo.

Las hormigas no siempre cooperaron cuando se trataba de cavar seriamente sus túneles. ‘De alguna manera son imitados’ Andrade dijo. “Cavan cuando quieren. Pondríamos estas hormigas en un contenedor, y algunas empezarían a cavar de inmediato, y harían un progreso asombroso. Pero otras, tomarían horas y no cavarían en absoluto. Algunos cavarían en busca de un collar, y luego detente y descansa “.

Andrade y Parker notan algunos patrones emergentes en su análisis. Por ejemplo, las hormigas suelen excavar a lo largo de los bordes internos de las copas, una estrategia eficaz, ya que los lados de las copas pueden ser parte de la estructura del túnel, lo que les ahorra poco esfuerzo. Las hormigas también prefirieron las líneas rectas de sus túneles, una técnica que mejora la eficiencia. Las hormigas tendían a cavar sus túneles lo más fuerte que podían. tanto como sea posible en un medio granular como el suelo se llama el “rincón del descanso”; Supere este ángulo y la estructura colapsará. En cualquier caso, las hormigas pueden detectar este umbral crítico, asegurando que sus túneles no sobrepasen el ángulo de reposo.

Para la física básica, el equipo descubrió que cuando las hormigas quitaron las gotas de tierra para cavar sus túneles, las cadenas de fuerza que actuaban sobre la estructura se reorganizaron a partir de una distribución aleatoria para formar una especie de revestimiento alrededor del túnel exterior. Esta redistribución de fuerzas fortalece las paredes del túnel existente y alivia la presión ejercida por los gránulos al final del túnel, lo que facilita que las hormigas eliminen estos gránulos para expandir aún más el túnel.

“La forma en que las hormigas construyen estas estructuras de décadas de antigüedad es un misterio tanto en la ingeniería como en la ecología de las hormigas”, dijo. parker esto. “Resulta que al eliminar el grano en este patrón que observamos, las hormigas se aprovechan de las cadenas de fuerza oceánicas mientras excavan”. Las hormigas presionan los granos individuales para evaluar las fuerzas mecánicas que actúan sobre ellos.

Parker cree que es una especie de algoritmo de comportamiento. Este algoritmo no existe dentro de una sola hormiga. Él dijo. “Es el comportamiento de colonia naciente de todos estos trabajadores que se comportan como superorganismos. La forma en que este programa de comportamiento se propaga a través de los microcerebros de todas estas hormigas es una de las maravillas del mundo natural para la que no tenemos explicación”.

DOI: PNAS, 2021. 10.1073 / pnas.2102267118 (Acerca de los DOI).