27 9 月, 2021

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研究:蚂蚁在巢穴中创造稳定的隧道,就像人类玩金卡一样

缩放 / 两只蚂蚁用绿色果冻挖隧道。 加州理工学院的一项新研究发现,蚂蚁在挖掘隧道时会寻找并清除松散的土壤颗粒,就像人类在玩耍时清除松散的土块一样。 积木.

蚂蚁是惊人的挖掘者,它们建造由错综复杂的隧道网络连接的精心制作的多层巢穴,有时深度可达 25 英尺。 现在,加州理工学院的一组科学家已经使用 X 射线成像来捕捉蚂蚁如何建造隧道的过程。 科学家们发现,蚂蚁已经进化到能够直观地感知谷物颗粒,它们可以在保持结构稳定的同时移除这些颗粒,就像移除游戏中的单个块一样。 积木. 该团队描述了他们的工作 新纸 发表在《美国国家科学院院刊》上。

对集体行为感兴趣的科学家几十年来一直在研究蚂蚁。 这是因为蚂蚁作为一个群体,表现得像某种形式的颗粒介质。 很少有间隔蚂蚁的行为和单个蚂蚁一样好。 但是 打包足够的 它们紧密结合并作为一个单元工作,表现出固体和液体特性。 例如,您可以从茶壶中倒出火蚁,或者蚂蚁可以连接在一起建造浮塔或木筏。 蚂蚁可能是大脑很小的小动物,但这些群居昆虫能够 集体组织起来 在一个高效的社区中保证了殖民地的生存。

几年前行为生物学家 Guy Theraolase 来自法国图卢兹高级研究所的研究人员和几位同事将实验室实验与阿根廷蚂蚁和计算机建模相结合,以便 定义三个简单的规则 控制挖掘隧道中蚂蚁的行为。 对于智力:(1)蚂蚁以恒定的速度(每分钟约2粒)拾取谷物; (ii) 蚂蚁喜欢在其他谷物附近脱落它们的谷物以形成羽状物; (3)蚂蚁通常在其他蚂蚁处理过它们之后选择标记有化学信息素的谷物。 热解酶 和其他人. 他根据这三个规则建立了一个计算机模拟,发现一周后,虚拟蚂蚁已经建立了一个与真实蚂蚁巢非常相似的结构。 他们得出的结论是,这些规则来自个体蚂蚁之间的局部相互作用,不需要中央协调。

最近,一个 论文 2020 我发现 社会动态 蚁群中的分工如何出现,类似于人类社交网络中政治两极分化的发展方式。 蚂蚁也擅长调节自己的交通流量。 一个 学习 2018 作者:Daniel Goldman 在乔治亚理工学院的小组研究了火蚁如何在不造成交通拥堵的情况下改善隧道施工。 正如我们 我当时提到,该小组得出结论,当一只蚂蚁遇到其他蚂蚁已经在其中奔跑的隧道时,它会撤退以寻找另一条隧道。 在任何时候,只有一小部分菌落挖掘:其中 30% 完成了 70% 的工作。

David Ho 在佐治亚理工学院的生物运动小组也研究了火蚁。 2019年, 他和他的同事报告说 火蚁可以主动感受到作用在浮筏上的力的变化。 蚂蚁可以识别流体流动的不同条件,并可以相应地调整它们的行为以保持木筏稳定。 划过河水的桨会产生一系列漩涡(称为脱落涡流),导致蚂蚁的筏子旋转。 这些涡流还可以对筏子施加额外的力,足以将其分开。 作用在筏子上的离心力和剪切力的变化都非常小——可能是正常重力的 2% 到 3%。 然而,不知何故,蚂蚁可以通过身体感受到这些微小的变化。

最后一篇论文的重点是西方收获蚁(西洋参),之所以被选中,是因为它具有在毫米级挖掘土壤颗粒的丰富能力。 共同作者、加州理工学院的机械工程师何塞·安德拉德(Jose Andrade)在看到以下示例后受到启发,开始探索隧道蚂蚁 蚂蚁窝艺术。 这些碎片是通过将某种熔融金属、石膏或水泥倒入蚁丘中制成的,蚁丘流经所有隧道并最终凝固。 然后去除周围的土壤以显示最终的复杂结构。 安德拉德印象深刻,他开始怀疑蚂蚁是否真的“知道”如何挖掘这些结构。

左上角:实验设计。 右上:已完成隧道的 X 射线图像。 左下:移除粒子的模型拟合。 右下:蚂蚁在初始位置去除的粒子的数值重构。
缩放 / 左上角:实验设计。 右上:已完成隧道的 X 射线图像。 左下:移除粒子的模型拟合。 右下:蚂蚁在初始位置去除的粒子的数值重构。

RBD Macedo 等人,2021 年

Andrade 与加州理工学院的生物工程师 Joe Parker 合作完成了这个项目; 帕克的研究重点是蚂蚁与其他物种的生态关系。 “我们没有采访任何蚂蚁来询问它们是否知道自己在做什么,但我们以它们是故意挖掘的前提开始,” 安德拉德说. “我们假设蚂蚁可能一直在玩 积木. ”

换句话说,研究人员怀疑蚂蚁在土壤中漫游,寻找要清除的松散谷物,就像人们寻找松散的团块以将它们从土壤中清除一样。 积木 炮塔,将关键轴承件留在原位。 这些块是所谓的“力链”的一部分,它将块(或粒状土壤颗粒,在蚁丘的情况下)塞在一起以形成稳定的结构。

在他们的实验中,安德拉德和他的同事将 500 毫升 koekret 土壤与 20 毫升水混合,然后将混合物放入几小杯土壤中。 杯子的大小是根据它们在 CT 扫描仪中的安装难度而选择的。 通过反复试验——从一只蚂蚁开始,逐渐增加数量——研究人员确定了达到最佳挖掘速度所需的蚂蚁数量:15。

该团队每 10 分钟就花四分半钟的时间,蚂蚁正在挖掘隧道以监控它们的进度。 从生成的 3D 图像中,他们为样本中的每个部分创建了一个“数字化身”,捕捉每个颗粒的形状、位置和方向——所有这些都会极大地影响土壤样本中的力分布。 研究人员还能够通过比较在不同时间状态下拍摄的图像来了解蚂蚁移除每个珠子的顺序。

蚂蚁隧道之前(左)和之后(右)土壤中相同位置的颗粒力(黑线)。
缩放 / 蚂蚁隧道之前(左)和之后(右)土壤中相同位置的颗粒力(黑线)。

Jose E. Andrade 和 David R. Miller / Caltech

蚂蚁在认真挖掘隧道时并不总是合作。 ‘他们有点模仿’ 安德拉德说. “他们想挖就挖。我们把这些蚂蚁放在一个容器里,有的会马上开始挖,他们会取得惊人的进展。但其他人——这需要几个小时,根本不挖。有的会挖一个一会儿,然后停下来休息。”

安德拉德和帕克在他们的分析中注意到了一些新出现的模式。 例如,蚂蚁通常沿着杯子的内边缘挖洞——这是一种有效的策略,因为杯子的侧面可以成为隧道结构的一部分,为蚂蚁节省一点力气。 蚂蚁也更喜欢隧道的直线,这是一种提高效率的技术。 蚂蚁倾向于尽可能用力地挖掘隧道。 尽可能在颗粒状介质中的土壤称为“静止角”; 超过这个角度,结构就会倒塌。 不知何故,蚂蚁可以感觉到这个临界阈值,确保它们的隧道不会超出静止角度。

对于基础物理学,研究小组发现,当蚂蚁移除土粒以挖掘隧道时,作用在结构上的力链会从随机分布中重新排列,在外隧道周围形成一种衬里。 这种力的重新分配加强了现有的隧道壁并减轻了谷物在隧道末端施加的压力,使蚂蚁更容易去除这些谷物以进一步扩展隧道。

“在工程学和蚂蚁生态学中,蚂蚁如何建造这些已有数十年历史的结构一直是个谜,”他说。 帕克说. “事实证明,通过以我们观察到的这种模式去除谷物,蚂蚁在挖洞时利用了这些海洋力链。” 蚂蚁压在单个谷物上以评估施加在它们上的机械力。

Parker 认为这是一种行为算法。 该算法不存在于单个蚂蚁中。 他说. “这是所有这些表现得像超级有机体的工人的新生群体行为。这种行为程序如何通过所有这些蚂蚁的微大脑传播,这是我们无法解释的自然界奇迹之一。”

DOI:美国国家科学院院刊,2021 年。 10.1073/pnas.2102267118 (关于 DOI)。

由加州理工学院提供。

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