Studi: Semut membuat terowongan yang stabil di dalam sarang, seperti halnya manusia yang bermain jinga

Semut adalah penggali yang luar biasa, membangun sarang bertingkat yang rumit yang dihubungkan oleh jaringan terowongan yang rumit, terkadang mencapai kedalaman hingga 25 kaki. Sekarang, tim ilmuwan dari California Institute of Technology telah menggunakan pencitraan sinar-X untuk menangkap proses bagaimana semut membangun terowongan mereka. Para ilmuwan telah menemukan bahwa semut telah berevolusi untuk secara intuitif merasakan partikel biji-bijian yang dapat mereka singkirkan sambil menjaga strukturnya tetap stabil, seperti halnya menghilangkan blok individu dalam permainan. jenga. Tim menggambarkan pekerjaan mereka di kertas baru Diterbitkan dalam Prosiding National Academy of Sciences.

Para ilmuwan yang tertarik pada perilaku kolektif telah mempelajari semut selama beberapa dekade. Ini karena semut, sebagai kelompok, berperilaku seperti beberapa bentuk media granular. Beberapa semut jarak berperilaku sebaik semut individu. tetapi Kemas secukupnya Bersatu erat dan bekerja sebagai satu unit, mereka menunjukkan sifat padat dan cair. Anda dapat menuangkan semut api dari teko, misalnya, atau semut dapat terhubung bersama untuk membangun menara atau rakit terapung. Semut mungkin makhluk kecil dengan otak kecil, tetapi serangga sosial ini mampu Mengatur diri mereka secara kolektif Dalam komunitas yang sangat efisien untuk menjamin kelangsungan hidup koloni.

Beberapa tahun laluAhli biologi perilaku Guy Theraolase dari Institute for Advanced Studies di Toulouse, Prancis, dan beberapa rekan menggabungkan eksperimen laboratorium dengan semut Argentina dan pemodelan komputer untuk Jelaskan tiga aturan sederhana Mengontrol perilaku semut dalam menggali terowongan. Untuk kecerdasan: (1) semut mengambil biji-bijian dengan kecepatan konstan (sekitar 2 butir setiap menit); (ii) Semut lebih suka menumpahkan biji-bijian mereka di dekat biji-bijian lain untuk membentuk gumpalan; dan (3) semut biasanya memilih biji-bijian yang ditandai dengan feromon kimia setelah semut lain menanganinya. Theraolase dan lain-lain. Dia membangun simulasi komputer berdasarkan tiga aturan ini dan menemukan bahwa setelah seminggu, semut virtual telah membangun struktur yang sangat mirip dengan sarang semut asli. Mereka menyimpulkan bahwa aturan ini muncul dari interaksi lokal antara semut individu, tanpa perlu koordinasi pusat.

Baru-baru ini, kertas 2020 Saya menemukan itu dinamika sosial Bagaimana pembagian kerja muncul di koloni semut mirip dengan bagaimana polarisasi politik berkembang di jaringan sosial manusia. Semut juga unggul dalam mengatur arus lalu lintas mereka sendiri. A Studi 2018 Oleh kelompok Daniel Goldman di Georgia Tech meneliti bagaimana semut api dapat meningkatkan upaya pembuatan terowongan tanpa menyebabkan kemacetan lalu lintas. seperti kita Saya sebutkan saat itu, kelompok tersebut menyimpulkan bahwa ketika seekor semut menemukan terowongan di mana semut lain sudah berlari, ia mundur untuk menemukan terowongan lain. Dan hanya sebagian kecil dari koloni yang menggali pada satu waktu: 30 persen dari mereka melakukan 70 persen pekerjaan.

Kelompok penggerak biologis David Ho di Georgia Tech juga mempelajari semut api. pada 2019, Dia dan rekan-rekannya melaporkan Bahwa semut api dapat secara aktif merasakan perubahan gaya yang bekerja pada rakit apung mereka. Semut mengenali kondisi aliran fluida yang berbeda dan dapat menyesuaikan perilakunya agar rakit tetap stabil. Dayung yang bergerak melalui air sungai akan menciptakan serangkaian pusaran air (dikenal sebagai pusaran penumpahan), menyebabkan rakit semut berputar. Pusaran ini juga dapat mengerahkan kekuatan tambahan pada rakit, cukup untuk memecahnya. Perubahan gaya sentrifugal dan gaya geser yang bekerja pada rakit sangat kecil – mungkin 2 persen hingga 3 persen dari gaya gravitasi normal. Namun, entah bagaimana, semut dapat merasakan perubahan kecil ini dengan tubuhnya.

Makalah terakhir ini berfokus pada semut pemanen barat (Pogonomyrmex occidentalis), dipilih karena kemampuannya yang produktif untuk menggali butiran tanah pada skala milimeter. Rekan penulis Jose Andrade, seorang insinyur mesin di Caltech, terinspirasi untuk menjelajahi semut terowongan setelah melihat contoh Seni sarang semut. Potongan dibuat dengan menuangkan semacam logam cair, plester atau semen ke dalam gundukan semut, yang mengalir melalui semua terowongan dan akhirnya mengeras. Tanah di sekitarnya kemudian dihilangkan untuk mengungkapkan struktur kompleks akhir. Andrade sangat terkesan sehingga dia mulai bertanya-tanya apakah semut benar-benar “tahu” cara menggali struktur tersebut.

Andrade berkolaborasi dengan bioengineer Caltech Joe Parker dalam proyek tersebut; Penelitian Parker berfokus pada hubungan ekologis semut dengan spesies lain. “Kami tidak mewawancarai semut untuk menanyakan apakah mereka tahu apa yang mereka lakukan, tetapi kami mulai dengan premis bahwa mereka menggali dengan sengaja,” kata andrade. “Kami berasumsi semut mungkin sedang bermain jenga. “

Dengan kata lain, para peneliti menduga bahwa semut berkeliaran di tanah mencari butiran lepas untuk dibuang, dengan cara yang sama seperti orang mencari gumpalan lepas untuk membuangnya. jenga turret, meninggalkan potongan bantalan kritis di tempatnya. Blok ini adalah bagian dari apa yang dikenal sebagai “rantai kekuatan” yang menyatukan blok (atau partikel tanah granular, dalam kasus sarang semut) bersama-sama untuk menciptakan struktur yang stabil.

Untuk eksperimen mereka, Andrade dan rekan-rekannya mencampur 500 ml tanah koekret dengan 20 ml air dan menempatkan campuran itu ke dalam beberapa cangkir kecil tanah. Ukuran cangkir dipilih karena mudahnya dimasukkan ke dalam pemindai CT. Melalui trial and error—dimulai dengan seekor semut dan secara bertahap meningkatkan jumlahnya—para peneliti menentukan jumlah semut yang dibutuhkan untuk mencapai tingkat penggalian yang optimal: 15.

Tim mengambil empat setengah menit setiap 10 menit sementara semut menggali terowongan untuk memantau kemajuan mereka. Dari gambar 3D yang dihasilkan, mereka menciptakan “avatar digital” untuk setiap bagian dalam sampel, menangkap bentuk, posisi, dan orientasi setiap butir – yang semuanya dapat sangat memengaruhi distribusi gaya dalam sampel tanah. Para peneliti juga dapat mempelajari urutan di mana setiap manik-manik dihilangkan oleh semut dengan membandingkan gambar yang diambil dalam keadaan waktu yang berbeda.

Semut tidak selalu kooperatif ketika harus menggali terowongan mereka dengan serius. ‘Mereka agak ditiru’ kata andrade. “Mereka menggali kapan pun mereka mau. Kami akan memasukkan semut-semut ini ke dalam wadah, dan beberapa akan langsung mulai menggali, dan mereka akan membuat kemajuan luar biasa ini. Tetapi yang lain—akan memakan waktu berjam-jam dan tidak menggali sama sekali. Beberapa akan menggali untuk waktu yang lama. sementara dan kemudian berhenti dan istirahat.”

Andrade dan Parker mencatat beberapa pola yang muncul dalam analisis mereka. Misalnya, semut biasanya menggali di sepanjang tepi bagian dalam cangkir – sebuah strategi yang efektif, karena sisi cangkir dapat menjadi bagian dari struktur terowongan, sehingga semut tidak perlu susah payah. Semut juga lebih menyukai garis lurus terowongan mereka, sebuah teknik yang meningkatkan efisiensi. Semut cenderung menggali terowongan mereka sekeras mungkin. Sejauh mungkin dalam media granular seperti tanah disebut “sudut istirahat”; Melebihi sudut itu, dan strukturnya akan runtuh. Entah bagaimana, semut dapat merasakan ambang kritis ini, memastikan bahwa terowongan mereka tidak melampaui sudut istirahat.

Untuk fisika dasar, tim menemukan bahwa ketika semut memindahkan butiran tanah untuk menggali terowongan mereka, rantai gaya yang bekerja pada struktur mengatur ulang diri mereka sendiri dari distribusi acak untuk membentuk semacam lapisan di sekitar terowongan luar. Redistribusi kekuatan ini memperkuat dinding terowongan yang ada dan mengurangi tekanan yang diberikan butir-butir di ujung terowongan, sehingga memudahkan semut untuk membuang butir-butir itu untuk memperpanjang terowongan lebih jauh.

“Telah menjadi misteri baik dalam bidang teknik maupun ekologi semut bagaimana semut membangun struktur berusia puluhan tahun ini,” katanya. Parker berkata. “Ternyata dengan menghilangkan butiran dalam pola yang kami amati ini, semut mengambil keuntungan dari rantai kekuatan laut ini saat mereka bersembunyi.” Semut menekan butir individu untuk menilai kekuatan mekanik yang diberikan pada mereka.

Parker berpikir itu semacam algoritma perilaku. Algoritma itu tidak ada di dalam satu semut. Dia berkata. “Perilaku koloni yang baru lahir dari semua pekerja ini yang berperilaku seperti organisme super. Bagaimana program perilaku ini menyebar melalui otak mikro semua semut ini adalah salah satu keajaiban dunia alami yang tidak dapat kami jelaskan.”

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