دراسة: مثلما يلعب البشر لعبة جينجا ، يبني النمل أنفاقًا ثابتة في أعشاشه

يقوم النمل بحفريات متقنة ، ويشكل أعشاشًا متقنة من عدة طبقات متصلة بشبكة أنفاق معقدة ، تصل أحيانًا إلى عمق 25 قدمًا. الآن ، استخدم فريق من العلماء من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا التصوير بالأشعة السينية لالتقاط كيف يشكل النمل الأنفاق. اكتشف العلماء أن النمل يمكنه على الفور إزالة أي جزيئات حبيبية ، مع الحفاظ على استقرار الهيكل ، تمامًا مثل إزالة الكتل الفردية في اللعبة. زينجا. وصف الفريق عملهم ورقة جديدة نُشر في عمليات الأكاديمية الوطنية للعلوم.

كان العلماء المهتمون بالسلوك الجماعي يدرسون النمل منذ عقود. هذا لأن النمل ، كمجموعة ، يعمل كوسيط محبب. يترك عدد قليل من النمل مساحة ويتصرف مثل النمل الفردي. لكن احزموا ما يكفي منهم معًا بشكل وثيق ويعملان كوحدة واحدة ، ويظهران خصائص صلبة وسائلة. على سبيل المثال ، يمكنك صب النمل الناري من إبريق الشاي أو الجمع بينهما لبناء أبراج النمل أو القوارب العائمة. قد يكون النمل مخلوقات صغيرة ذات أدمغة صغيرة ، لكن هذه الحشرات الاجتماعية قادرة تنظم نفسها بشكل جماعي في مجتمع عالي الكفاءة لضمان بقاء المستعمرة.

منذ سنوات عديدةعلم الأحياء السلوكي غي ثيرافولاس جمع معهد الأبحاث المتقدمة في تولوز بفرنسا والعديد من الزملاء التجارب المعملية مع النمل الأرجنتيني والنمذجة الحاسوبية. حدد ثلاث قواعد بسيطة يدير سلوك النفق في النمل. بذكاء: (1) يلتقط النمل الحبوب بمعدل ثابت (حوالي 2 حبة في الدقيقة) ؛ (2) فضل النمل حبوبهم على الحبوب الأخرى لتكوين أعمدة ؛ و (3) يختار النمل عمومًا الحبوب الموسومة بالفيرومونات الكيميائية بعد أن يتعامل معها النمل الآخر. ثيرالاس و اخرين. بناءً على هذه القواعد الثلاث ، أنشأ الكمبيوتر المحاكاة وبعد أسبوع اكتشف أن النمل الافتراضي قد أنشأ نظامًا مشابهًا لأعشاش النمل الحقيقية. وخلصوا إلى أن هذه الأرقام لا تتطلب تنسيقًا مركزيًا وتنبع من التفاعلات المحلية بين النمل الفردي.

في الآونة الأخيرة ، أ ورق 2020 وجدت ذلك الديناميكية الاجتماعية كيف تتطور الطبقة العاملة في مستعمرة النمل يشبه كيفية تطور الاستقطاب السياسي في الشبكات الاجتماعية البشرية. النمل جيد في تنظيم تدفق حركة المرور الخاصة بهم. أ دراسة 2018 بواسطة فريق Daniel Goldman في Georgia Deck ، استكشف النمل الناري كيفية تحسين جهود حفر الأنفاق دون التسبب في ازدحام مروري. نحن ذكرت في ذلك الوقتوخلص الفريق إلى أنه عندما تصادف نملة نفقًا يعمل فيه النمل الآخر بالفعل ، فإنها تتراجع للعثور على نفق آخر. فقط جزء صغير من المستعمرة يحفر في أي وقت: 30 بالمائة منهم يقومون بـ 70 بالمائة من العمل.

كما درس فريق الاتصالات الحيوية التابع لـ David Hu في Georgia Tech النمل الناري. في عام 2019 ، قال هو وزملاؤه يمكن أن يشعر النمل الناري بنشاط بالتغيرات في القوى المؤثرة على زورقهم العائم. يتعرف النمل على مستويات مختلفة من تدفق السوائل ويمكنه تعديل سلوكه وفقًا لذلك لحماية استقرار القارب. يخلق مجداف يتحرك في مياه النهر سلسلة من الحلزونات المتصاعدة (تسمى الحلزونات المتصاعدة) ، مما يتسبب في دوران قوارب النمل. يمكن لهذه الحلقات أن تضع قوة إضافية على القارب ، بما يكفي لكسرها. التغييرات في كل من قوى الطرد المركزي وقوى القص التي تعمل على القارب صغيرة جدًا – يمكن أن تتراوح قوة الجاذبية العادية من 2 في المائة إلى 3 في المائة. ومع ذلك ، بطريقة ما ، يمكن للنمل أن يشعر بهذه التغييرات الصغيرة بجسمه.

تركز هذه الورقة الأخيرة على نمل الحصاد الغربي (Poconomyrmex occidentalis) ، تم اختيارها بسبب قدرتها العالية على الحفر مع حبيبات التربة بالمليمترات. خوسيه أندريد ، مؤلف مشارك في الهندسة الميكانيكية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، كان مصدر إلهام لاستكشاف النمل النفقي بعد رؤية الأمثلة. فن النمل. تتشكل أكوام النمل عن طريق صب نوع من المعدن المنصهر أو الجص أو الأسمنت ، والذي يتدفق عبر جميع الأنفاق ويتصلب في النهاية. ثم يتم إزالة التربة المحيطة وكشف الهيكل النهائي المعقد. كان أندرادي منبهرًا جدًا لدرجة أنه بدأ يتساءل عما إذا كان النمل “يعرف” حقًا كيفية حفر تلك الهياكل.

تعاونت أندرادي مع المهندس البيولوجي في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا جو باركر في المشروع ؛ يركز بحث باركر على العلاقات البيئية للنمل مع الكائنات الحية الأخرى. “لم نجري مقابلات مع النمل لسؤالهم عما إذا كانوا يعرفون ما يفعلونه ، لكننا بدأنا بالفرضية التي حفروها عمداً”. قال أندرادي. “نعتقد أن النمل يلعب زينجا. “

بعبارة أخرى ، اشتبه الباحثون في أن النمل يصطاد في التربة لإزالة الحبوب السائبة ، بنفس الطريقة التي يبحث بها الناس عن كتل سائبة لإزالتها من الموقع. زينجا يترك البرج القطع الحاملة المهمة في مكانها. هذه الكتل هي جزء مما يسمى “سلسلة القوة” التي تسمح للكتل (أو جزيئات التربة الحبيبية) بالتكدس لتشكيل بنية مستقرة.

من أجل تجاربهم ، قام أندرادي وزملاؤه بخلط 500 مل من تربة الجير مع 20 مل من الماء ووضعوا الخليط في عدة أكواب صغيرة من التربة. تم تحديد حجم الملفات بحيث يمكن وضعها بسهولة داخل ماسح التصوير المقطعي المحوسب. من خلال التجربة والخطأ – بدءًا من نملة واحدة وتزايد العدد تدريجيًا – حدد الباحثون عدد النمل اللازم لتحقيق الحفر الأمثل: 15.

تم إجراء مسح مدته أربع دقائق ونصف الدقة كل 10 دقائق أثناء وجود النمل في النفق لمراقبة تقدمهم. من الصور ثلاثية الأبعاد الناتجة ، قاموا بإنشاء “أفاتار رقمي” لكل جزء من النموذج ، والتقاط شكل وموضع واتجاه كل حبة – وكلها أثرت بشكل كبير على توزيع القوى في عينات التربة. تمكن الباحثون من مقارنة الصور التي تم التقاطها في أوقات مختلفة وإيجاد الترتيب الذي تم به إزالة كل حبة بواسطة النمل.

لا يتعاون النمل دائمًا عندما يحفرون أنفاقهم بجد. “إنهم متقلدون نوعًا ما” قال أندرادي. “إنهم يحفرون في أي وقت. نضع هؤلاء النمل في حاوية ، سيبدأ البعض في الحفر الآن ، وسيحققون هذا التقدم المذهل. لكن البعض الآخر – إنها ساعات ، ولن يحفروا. وسيتوقف البعض ويستريح بعد فترة. “

لاحظ أندرادي وباركر بعض الأنماط الناشئة في تحليلهما. على سبيل المثال ، عادةً ما يحفر النمل في الحواف الداخلية للأكواب – وهي تقنية فعالة لأن جوانب الكؤوس تعمل كجزء من هيكل النفق ، مما يوفر على النمل القليل من الجهد. فضل النمل الخطوط المستقيمة على أنفاقهم ، وهي خدعة تعمل على تحسين الأداء. يميل النمل أيضًا إلى حفر أنفاقه عموديًا قدر الإمكان. يسمى حد الجهد الرأسي في وسط حبيبي مثل التربة بزاوية الراحة ؛ وراء تلك الزاوية ، ينهار الهيكل. بطريقة ما ، يمكن للنمل أن يشعر بهذا الحد المهم ، مما يضمن أن أنفاقهم لا تتجاوز زاوية السكون.

وفقًا للفيزياء الأساسية ، عندما قام النمل بإزالة حبيبات التربة لحفر أنفاقهم ، تم إعادة ترتيب سلاسل القوة التي تعمل على الهيكل لإنشاء نوع من البطانة من التوزيع العشوائي. تعمل إعادة توزيع القوى على تقوية الجدران الموجودة للنفق وإزالة الضغط الذي تمارسه الحبوب في نهاية النفق ، مما يسهل على النمل إزالة تلك الحبوب لتوسيع النفق بشكل أكبر.

“إنه لغز كيف يشكل النمل ، الذي كان موجودًا منذ عقود في كل من الهندسة وبيئة النمل ، هذه الهياكل.” قال باركر. “من خلال إزالة الحبوب بهذا الشكل الذي لاحظناه ، يستفيد النمل من سلاسل القوة المحيطية عند الحفر.” يستغل النمل الحبوب الفردية لتقدير القوى الميكانيكية المؤثرة عليها.

يرى باركر أنه نوع من الخوارزمية السلوكية. “تلك الخوارزمية ليست داخل نملة” هو قال. “كل هؤلاء العمال يتصرفون ككائن حي خارق.

DOI: PNAS ، 2021. 10.1073 / pnas.2102267118 (حول DOIs)