Estudio: las hormigas crean túneles estables en los nidos, al igual que los humanos que juegan jinga

Zoom / Dos hormigas cavando un túnel con gelatina verde. Un nuevo estudio del Instituto de Tecnología de California encuentra que las hormigas buscan y eliminan los granos sueltos del suelo cuando cavan sus túneles, al igual que los humanos eliminan los grupos sueltos mientras juegan. 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. Ahora, un equipo de científicos del Instituto de Tecnología de California ha utilizado imágenes de rayos X para capturar el proceso de cómo las hormigas construyen sus túneles. Los científicos han descubierto que las hormigas han evolucionado para percibir intuitivamente partículas de grano que pueden eliminar mientras mantienen estable la estructura, al igual que eliminar bloques individuales en un juego. Jenga. El equipo describió su trabajo en 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. Pocas hormigas espaciadas se comportan tan bien como hormigas individuales. pero Empaca suficientes de ellos Muy juntos y trabajando 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 Organizarse colectivamente En una comunidad altamente eficiente para asegurar la supervivencia de la colonia.

Muchos años atrásBiólogo del comportamiento Guy Theraolase 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 Controlar el comportamiento de las hormigas en la excavación de túneles. Para la inteligencia: (1) las hormigas recogen granos a un ritmo constante (alrededor de 2 granos por minuto); (ii) Las hormigas prefieren arrojar sus granos cerca de otros granos para formar plumas; y (3) las hormigas generalmente seleccionan granos marcados con una feromona química después de que otras hormigas los han tratado. Theraolase 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.

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Recientemente, un papel 2020 encontre eso dinámica social La forma en que surge la división del trabajo en una colonia de hormigas es similar a cómo se desarrolla la polarización política en las redes sociales humanas. Las hormigas también se destacan en la regulación de su propio flujo de tráfico. a Estudio 2018 El grupo de Daniel Goldman en Georgia Tech investigó cómo las hormigas bravas pueden mejorar los esfuerzos de excavación 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 para el flujo de fluidos y pueden adaptar su comportamiento en consecuencia para mantener estable la balsa. Un remo que se mueve a través del agua del río creará una serie de remolinos (conocidos como vórtice de desprendimiento), lo que hará que las balsas de las hormigas giren. Estos vórtices también pueden ejercer fuerzas adicionales sobre la balsa, lo suficiente como para romperla. Los cambios tanto en las fuerzas centrífugas como en 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 alguna manera, las hormigas pueden sentir estos pequeños cambios en sus cuerpos.

Este último artículo se centra en las hormigas cosechadoras occidentales (Pogonomyrmex occidentalis), fue elegido debido a su prolífica capacidad para excavar en los granos del suelo a una escala milimétrica. El coautor José Andrade, un ingeniero mecánico de Caltech, se inspiró para explorar las hormigas túnel después de ver ejemplos de Arte del nido de hormigas. Las piezas se crean vertiendo algún tipo de metal fundido, yeso o cemento en el hormiguero, que fluye a través de 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 empezó a preguntarse si las hormigas realmente “sabían” cómo excavar esas estructuras.

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Arriba a la izquierda: diseño experimental.  Arriba a la derecha: imagen de rayos X de un túnel terminado.  Abajo a la izquierda: ajuste del modelo de partículas eliminadas.  Abajo a la derecha: reconstitución numérica de partículas eliminadas por las hormigas en el sitio inicial.
Zoom / Arriba a la izquierda: diseño experimental. Arriba a la derecha: imagen de rayos X de un túnel terminado. Abajo a la izquierda: ajuste del modelo de partículas eliminadas. Abajo a la derecha: reconstitución numérica de partículas eliminadas por las hormigas en el sitio inicial.

RBD Macedo et al., 2021

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 comenzamos con la premisa de que estaban cavando de manera deliberada”. Andrade dijo. “Asumimos que las hormigas podrían haber estado jugando Jenga. “

En otras palabras, los investigadores sospecharon que las hormigas deambulan por el suelo en busca de granos sueltos para eliminar, de la misma manera que las personas buscan grumos sueltos para eliminarlos. Jenga torreta, dejando las piezas críticas del rodamiento en su lugar. Estos bloques son parte de lo que se conoce como una “cadena de fuerza” que atasca bloques (o partículas granulares de 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 las copas se eligió por la facilidad con que caben dentro del escáner de tomografía computarizada. Mediante prueba y error, comenzando con una sola 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, crearon un “avatar digital” para cada parte de la muestra, capturando la forma, posición y orientación de cada grano, todo lo cual puede afectar en gran medida la distribución de fuerzas en las muestras de suelo. Los investigadores también pudieron aprender el orden en que las hormigas quitaron cada cuenta al comparar imágenes tomadas en diferentes estados en el tiempo.

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Fuerzas granulares (líneas negras) en el mismo lugar del suelo antes (izquierda) y después (derecha) del túnel de hormigas.
Zoom / Fuerzas granulares (líneas negras) en el mismo lugar del suelo antes (izquierda) y después (derecha) del túnel de hormigas.

Jose E. Andrade y David R. Miller / Caltech

Las hormigas no siempre cooperaron cuando se trataba de cavar seriamente sus túneles. ‘Son un poco 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 por un mientras 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 de los túneles, ahorrándoles un poco de 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 posible. En la medida de lo posible, en un medio granular como el suelo se denomina “ángulo de reposo”; Supere ese ángulo y la estructura colapsará. De alguna manera, las hormigas pueden sentir este umbral crítico, asegurándose de que sus túneles no vayan más allá del ángulo de reposo.

Para la física básica, el equipo descubrió que cuando las hormigas quitaron los granos del suelo para cavar sus túneles, las cadenas de fuerza que actúan 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 que ejercen los granos al final del túnel, lo que facilita que las hormigas eliminen esos granos para extender el túnel aún más.

“Ha sido un misterio tanto en ingeniería como en ecología de hormigas cómo las hormigas construyen estas estructuras de décadas de antigüedad”, dijo. Parker dijo. “Resulta que al eliminar el grano en este patrón que observamos, las hormigas se aprovechan de estas cadenas de fuerza oceánica a medida que excavan”. Las hormigas presionan los granos individuales para evaluar las fuerzas mecánicas que se ejercen sobre ellos.

Parker cree que es una especie de algoritmo de comportamiento. Ese 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).

Cortesía del Instituto de Tecnología de California.

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