Η Αξιόλογη Αυτοοργάνωση των Μυρμηγκιών

Δώστε σε μια αποικία μυρμηγκιών κήπου την εβδομάδα και ένα σωρό χώμα και θα το μεταμορφώσουν σε ένα υπόγειο οικοδόμημα στο ύψος ενός ουρανοξύστη σε μια πόλη με κλίμακα μυρμηγκιών. Χωρίς σχέδιο ή αρχηγό, χιλιάδες έντομα που μετακινούν κηλίδες βρωμιάς δημιουργούν μια περίπλοκη, σπογγώδη δομή με παράλληλα επίπεδα που συνδέονται με ένα δίκτυο σηράγγων. Μερικά είδη μυρμηγκιών φτιάχνουν ακόμη και ζωντανές δομές από το σώμα τους:στρατιωτικά μυρμήγκια και πυροσβεστικά μυρμήγκια στην Κεντρική και Νότια Αμερική συγκεντρώνονται σε γέφυρες που εξομαλύνουν το μονοπάτι τους στις αποστολές αναζήτησης τροφής και ορισμένοι τύποι μυρμηγκιών συγκεντρώνονται σε αυτοσχέδιες σχεδίες για να γλιτώσουν από τις πλημμύρες.

Πώς κατασκευάζουν τόσο εντυπωσιακές δομές τα έντομα με μικροσκοπικό εγκέφαλο;

Οι επιστήμονες μελετούν την κοινωνική συμπεριφορά των μυρμηγκιών και άλλων εντόμων εδώ και δεκαετίες, αναζητώντας χημικές ενδείξεις και άλλα σήματα που χρησιμοποιούν τα έντομα για να συντονίσουν τη συμπεριφορά. Μεγάλο μέρος αυτής της εργασίας έχει επικεντρωθεί στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα μυρμήγκια αποφασίζουν πού να αναζητήσουν τροφή ή να χτίσουν τα σπίτια τους. Αλλά νέα έρευνα που συνδυάζει παρατηρήσεις της συμπεριφοράς των μυρμηγκιών με σύγχρονες τεχνικές απεικόνισης και υπολογιστική μοντελοποίηση αρχίζει να αποκαλύπτει τα μυστικά της κατασκευής μυρμηγκιών. Αποδεικνύεται ότι τα μυρμήγκια εκτελούν αυτές τις πολύπλοκες εργασίες υπακούοντας σε μερικούς απλούς κανόνες.

«Οι άνθρωποι αρχίζουν επιτέλους να λύνουν το πρόβλημα της παραγωγής αυτών των δομών, οι οποίες είτε είναι φτιαγμένες από χώμα είτε από τα ίδια τα μυρμήγκια», δήλωσε ο Stephen Pratt, βιολόγος στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα. Η οργάνωση των κοινωνιών των εντόμων είναι ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα ενός περίπλοκου αποκεντρωμένου συστήματος που προκύπτει από τις αλληλεπιδράσεις πολλών ατόμων, είπε.

Η ρήξη αυτών των προβλημάτων θα μπορούσε να οδηγήσει σε βελτιώσεις στη ρομποτική σμήνους, σε μεγάλους αριθμούς απλών ρομπότ που συνεργάζονται, καθώς και σε υλικά αυτοίασης και σε άλλα συστήματα ικανά να οργανωθούν και να διορθωθούν. Γενικότερα, ο εντοπισμός των κανόνων που υπακούουν τα μυρμήγκια θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν πώς αναδύονται βιολογικά πολύπλοκα συστήματα — για παράδειγμα, πώς ομάδες κυττάρων δημιουργούν όργανα.

«Μηχανισμοί αυτοοργάνωσης υπάρχουν παντού στη φύση, από την ανάπτυξη ενός εμβρύου μέχρι την οργάνωση μεγάλων ζωικών πληθυσμών», δήλωσε ο Simon Garnier, βιολόγος στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Νιου Τζέρσεϊ.

Ο Guy Theraulaz, βιολόγος συμπεριφοράς στο Ερευνητικό Κέντρο για τη Γνωστική των Ζώων στην Τουλούζη της Γαλλίας, και οι συνεργάτες του μελετούν τις φωλιές των εντόμων τα τελευταία 20 χρόνια, κατασκευάζοντας πιο περίπλοκα και ρεαλιστικά μοντέλα καθώς βελτιώνονταν τα δεδομένα τους. Ανακάλυψαν ότι τρεις βασικές οδηγίες που διέπουν το πότε και πού τα μυρμήγκια μαζεύουν και αφήνουν τα δομικά τους υλικά είναι επαρκείς για τη δημιουργία εξελιγμένων, πολυεπίπεδων κατασκευών.

«Όλα προκύπτουν από τοπικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων», είπε ο Garnier, πρώην μαθητής του Theraulaz που τώρα μελετά τις γέφυρες ζωντανών μυρμηγκιών. "Η τελική δομή αναδύεται χωρίς κεντρικό συντονισμό."

Η ομάδα του Theraulaz ανέλυσε επιμελώς βίντεο με μυρμήγκια που σέρνονταν στα πιάτα Petri καθώς προσπαθούσαν να χτίσουν ένα καταφύγιο, σημειώνοντας κάθε φορά που ένα μυρμήγκι σήκωνε ή έπεφτε έναν κόκκο άμμου. Οι ερευνητές ανακάλυψαν τρεις βασικούς κανόνες:Τα μυρμήγκια μάζευαν κόκκους με σταθερό ρυθμό, περίπου 2 κόκκους ανά λεπτό. Προτίμησαν να τα ρίξουν κοντά σε άλλους κόκκους, σχηματίζοντας μια κολόνα. και έτειναν να επιλέγουν κόκκους που είχαν προηγουμένως χειριστεί άλλα μυρμήγκια, πιθανώς λόγω της επισήμανσης από μια χημική φερομόνη.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτούς τους τρεις κανόνες για να δημιουργήσουν ένα μοντέλο υπολογιστή που μιμείται τη συμπεριφορά κατασκευής φωλιάς. Στο μοντέλο, τα εικονικά μυρμήγκια κινήθηκαν τυχαία γύρω από έναν τρισδιάστατο χώρο, μαζεύοντας κομμάτια εικονικής άμμου εμποτισμένα σε μια εικονική φερομόνη. Τα μυρμήγκια-μοντέλα δημιούργησαν στύλους που έμοιαζαν ακριβώς με αυτούς που κατασκεύαζαν τα βιολογικά τους αντίστοιχα. Οι ερευνητές θα μπορούσαν να αλλάξουν τη διάταξη των πυλώνων αλλάζοντας πόσο γρήγορα εξατμίζεται η φερομόνη, γεγονός που θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες, όπως η θερμότητα και η υγρασία, επηρεάζουν τη δομή των φωλιών των μυρμηγκιών. (Δημοσίευσαν μια προκαταρκτική έκδοση του μοντέλου σε μια έκθεση συνεδρίου το 2011, αλλά δεν έχουν ακόμη δημοσιεύσει την πιο εκλεπτυσμένη έκδοση, η οποία μιμείται καλύτερα τα πραγματικά μυρμήγκια.)

«Η πραγματική καινοτομία εδώ είναι η προσφάτως αποκτηθείσα ικανότητά μας να παρατηρούμε λεπτομερώς το σχηματισμό και τους μετασχηματισμούς αυτών των δομών», είπε ο Theraulaz. «Έχουμε επιτέλους πρόσβαση σε ακριβή δεδομένα σχετικά με το πώς τα ζωντανά πράγματα συνενώνονται για να σχηματίσουν περίπλοκες αλλά πλήρως λειτουργικές και αντιδραστικές δομές».

Μετά από μια εβδομαδιαία προσομοίωση, τα εικονικά μυρμήγκια δημιούργησαν κάτι που έμοιαζε με πραγματική φωλιά. στρώματα στοιβαγμένα μεταξύ τους με συνδέσεις μεταξύ τους. Οι ίδιες οι συνδέσεις δεν ήταν ρητά γραμμένες στους κανόνες, είπε ο Theraulaz.

«Για το μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, οι άνθρωποι ποτέ δεν θα πίστευαν ότι αυτό είναι δυνατό», είπε ο Chris Adami, φυσικός και υπολογιστικός βιολόγος στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Όταν εξέτασαν τη σύνθετη συμπεριφορά των ζώων, οι άνθρωποι υπέθεσαν ότι πρέπει να είναι έξυπνα ζώα."

Living Architecture

Για τον Ντέιβιντ Χου και τους συνεργάτες του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Τζόρτζια, η έρευνα για την αρχιτεκτονική των μυρμηγκιών είναι ταυτόχρονα βιοπορισμός και πονοκέφαλος στο χώρο εργασίας. Η ομάδα του Hu μελετά ζωντανή αρχιτεκτονική στην οποία «τα μυρμήγκια είναι τα τούβλα και τα στρώματα από τούβλα», είπε ο Hu. Αλλά τα μυρμήγκια της φωτιάς στο εργαστήριο του Hu είναι επίσης επιδέξιοι καλλιτέχνες απόδρασης. Χτίζουν πύργους για να ξεφύγουν από τα περίβλημά τους και έρπουν κάτω από κλειδωμένες πόρτες. Ο Χου είναι τρομοκρατημένος από τα τριήμερα Σαββατοκύριακα, τα οποία δίνουν στα μυρμήγκια περισσότερο χρόνο να απελευθερωθούν και να φτιάξουν μπιβουάκ - φωλιές από εκατοντάδες χιλιάδες μυρμήγκια - κάτω από τα θρανία των συναδέλφων του. Όταν όλοι επιστρέφουν στη δουλειά, λαμβάνει κλήσεις πανικού από μολυσμένα γραφεία.

«Έχουμε μυρμήγκια που δραπετεύουν από το εργαστήριό μας όλη την ώρα», είπε ο Χου. "Τα μπιβουάκ είναι εξελιγμένα, με τούνελ και παράθυρα που μπορούν να ανοίγουν και να κλείνουν ανάλογα με την υγρασία και τη θερμοκρασία."

Στην έρευνά του, ο Hu επικεντρώνεται στην κατανόηση πρώτα μιας απλούστερης δομής - σχεδίες μυρμηγκιών. Τα έντομα μπορούν να ξεφύγουν από τις πλημμύρες στον βιότοπό τους συγκεντρώνοντας σε σχεδίες που αποτελούνται από έως και 100.000 μέλη. Οι εκπληκτικά πλευστές κατασκευές, οι οποίες μπορεί να είναι τόσο μεγάλες όσο ένα πιάτο δείπνου, μπορούν να επιπλέουν για εβδομάδες, επιτρέποντας στην αποικία να επιβιώσει και να βρει ένα νέο σπίτι.

Ο Χου και οι συνεργάτες του είχαν δείξει προηγουμένως ότι αφού πέσει μια κουταλιά μυρμηγκιών στο νερό, η μάζα των εντόμων μεταμορφώνεται σε σχεδία σαν τηγανίτα μέσω μιας απλής διαδικασίας:κάθε μυρμήγκι περπατά τυχαία στην επιφάνεια της σταγόνας μέχρι να χτυπήσει στην άκρη του νερού. «Ένα μεμονωμένο μυρμήγκι δεν μπορεί να ξέρει πόσο μεγάλη είναι η σχεδία, πού βρίσκεται στη σχεδία και τι κάνουν τα άλλα μυρμήγκια», είπε ο Χου. "Η μόνη επικοινωνία γίνεται στην άκρη της δομής - εκεί μεγαλώνει η δομή." Η ομάδα του Hu χρησιμοποίησε αυτούς τους απλούς κανόνες για να κατασκευάσει μια εικονική σχεδία μυρμηγκιών που είχε την ίδια δυναμική με αυτή που φτιάχτηκε από πραγματικά μυρμήγκια.

Θέλοντας να καταλάβει τι ακριβώς δίνει στις σχεδίες μυρμηγκιών την αξιοσημείωτη δύναμη και την άνωση τους, η ομάδα του Hu κοίταξε μέσα στη δομή. Πάγωσαν σχεδίες μυρμηγκιών και στη συνέχεια δημιούργησαν εικόνες τους χρησιμοποιώντας υπολογιστική τομογραφία (γνωστή και ως αξονική τομογραφία).

Τα ευρήματα, τα οποία θα δημοσιευθούν σε προσεχές άρθρο στο Journal of Experimental Biology, αποκαλύπτουν ότι τα μυρμήγκια υφαίνουν κάτι σαν τρισδιάστατο Gore-Tex, ένα ύφασμα που αναπνέει και αδιάβροχο. Τα μυρμήγκια σχηματίζουν θύλακες αέρα σπρώχνοντας μακριά από όποια μυρμήγκια είναι συνδεδεμένα, δημιουργώντας σχεδίες υψηλής πλεύσης που είναι 75 τοις εκατό αέρας. Η ύφανση του υφάσματος μυρμηγκιών συγκρατείται με πολλαπλές συνδέσεις μεταξύ μεμονωμένων μυρμηγκιών, τα οποία προσανατολίζονται κάθετα το ένα στο άλλο. «Αυτό που συμβαίνει σε μεγάλη κλίμακα είναι το αποτέλεσμα πολλών αλληλεπιδράσεων σε μικρή κλίμακα», είπε ο Hu. Το αποτέλεσμα είναι ένα υδατοαπωθητικό πλέγμα που επιτρέπει ακόμη και στα μυρμήγκια στο κάτω μέρος της κατασκευής να επιβιώσουν.

Ως μηχανικός, ο Hu βλέπει τα συσσωματώματα των μυρμηγκιών όπως κάθε άλλο υλικό, μελετώντας τις ιδιότητές τους όπως θα μπορούσε κανείς να μελετήσει το πλαστικό, τον χάλυβα ή το μέλι. Τα μυρμήγκια, ωστόσο, έχουν την ασυνήθιστη ικανότητα να δρουν είτε ως υγρό είτε ως στερεό και ο Χου ελπίζει ότι η περαιτέρω έρευνα σε αυτήν την ικανότητα θα βοηθήσει τους μηχανικούς να σχεδιάσουν δομές αυτοίασης, όπως γέφυρες ικανές να ανιχνεύουν και να επιδιορθώνουν τις ρωγμές.

Για να βρει τους αρχιτέκτονες μυρμηγκιών του, ο Garnier μερικές φορές περνά μέρες με τους συνεργάτες του περιπλανώμενοι στο τροπικό δάσος σε ένα νησί στο κανάλι του Παναμά. Αλλά όταν βρίσκεται σε κοντινή απόσταση, ο στόχος είναι εύκολο να εντοπιστεί:Τεράστια τμήματα στρατιωτικών μυρμηγκιών που αναζητούν τροφή για τα αδηφάγα μικρά τους μερικές φορές καλύπτουν το μήκος και σχεδόν το μισό πλάτος ενός γηπέδου ποδοσφαίρου. Τα μυρμήγκια από αυτό το νομαδικό είδος, που ονομάστηκαν για τις χαρακτηριστικές κολώνες πορείας τους, καλύπτουν το περιβάλλον τους. Για να επιταχύνουν την ανελέητη αναζήτηση τροφής, τα μυρμήγκια χτίζουν γρήγορα γέφυρες πάνω σε κενά στο μονοπάτι τους ή σε δέντρα, χρησιμοποιώντας το σώμα τους ως δομικό στοιχείο για να δημιουργήσουν μια ομαλή και βολική διαδρομή για τους συγγενείς τους. Οι επιστήμονες έχουν μελετήσει εδώ και καιρό αυτά τα περίεργα πλάσματα, εξερευνώντας τα εξελικτικά πλεονεκτήματα της τακτικής αναζήτησης τροφής και κατασκευής γεφυρών, αλλά ο Garnier και οι συνεργάτες του είναι από τους πρώτους που μελέτησαν ακριβώς πώς σχηματίζονται οι δομές. Χτίζουν εμπόδια στο μονοπάτι της στήλης που βαδίζει και καταγράφουν τα μυρμήγκια καθώς χτίζουν μια γέφυρα.

Όπως οι σχεδίες μυρμηγκιών φωτιάς, οι γέφυρες χτίζονται με απλούς κανόνες και διαθέτουν εκπληκτική δύναμη και ευελιξία. Μόλις ένα μυρμήγκι αισθανθεί ένα κενό στο δρόμο, αρχίζει να χτίζει μια γέφυρα, η οποία μπορεί να φτάσει σε έκταση δεκάδων εκατοστών και να περιλαμβάνει εκατοντάδες μυρμήγκια. Μόλις διαμορφωθεί η δομή, τα μυρμήγκια θα διατηρήσουν τη θέση τους όσο αισθάνονται την κίνηση πάνω από το κεφάλι, αποσυναρμολογώντας τη γέφυρα μόλις φωτίσει το τροχαίο. «Ο ακριβής χρόνος της απόφασής τους να ενταχθούν ή να εγκαταλείψουν τη δομή μεγιστοποιεί τη σταθερότητα ως συνάρτηση της κυκλοφορίας στο μονοπάτι», είπε ο Garnier. "Οι κανόνες συμπεριφοράς κατά τη διαμόρφωση και αποσυναρμολόγηση της γέφυρας είναι βέλτιστα σχεδιασμένοι για να χειρίζονται την κυκλοφορία."

Η ομάδα της Garnier μελετά τώρα πώς μεμονωμένα μυρμήγκια προσκολλώνται το ένα στο άλλο για να δημιουργήσουν τη δομή και πώς τα μυρμήγκια στα σημεία στερέωσης μπορούν να κρατήσουν το βάρος 100 συντρόφων. «Νομίζω ότι αυτή είναι μια νέα, πολύ συναρπαστική προσέγγιση», είπε ο Bert Hölldobler, εξελικτικός βιολόγος στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, ο οποίος μελετά τα μυρμήγκια για περισσότερα από 40 χρόνια.

Ένα από τα πιο συναρπαστικά ευρήματα που προέκυψαν από μελέτες της ζωντανής αρχιτεκτονικής «είναι πόσο δυναμική και πλούσια είναι αυτή η διαδικασία», δήλωσε ο Scott Turner, βιολόγος στο Κολλέγιο Περιβαλλοντικής Επιστήμης και Δασών του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης στις Συρακούσες. Το έργο του Garnier δείχνει ότι τα μυρμήγκια κατασκευάζουν και αποσυναρμολογούν γέφυρες σύμφωνα με τις μεταβαλλόμενες ανάγκες. Η προκαταρκτική εργασία από την ομάδα του Hu, η οποία μελετά επίσης τις γέφυρες, δείχνει ότι οι ιδιότητες της δομής, όπως η αντοχή και η ακεραιότητα, εξελίσσονται ανάλογα με τις μεταβαλλόμενες συνθήκες.

Αν και ο Hölldobler είναι ενθουσιασμένος και με τα τρία έργα, προειδοποιεί ότι το γεγονός ότι ένα μοντέλο μιμείται την πραγματική συμπεριφορά μυρμηγκιών δεν σημαίνει ότι αντικατοπτρίζει αυτό που πραγματικά συμβαίνει. Αναφέρει την περίπτωση ενός μοντέλου μυρμηγκιών της ερήμου που ξαναδημιούργησε τις περίπλοκες αποστολές αναζήτησης τροφής χωρίς την ανάγκη για δείκτη χημικών ιχνών, που δημιουργήθηκε σε μια εποχή που οι επιστήμονες δεν είχαν βρει κανένα στοιχείο για τέτοιο. Αλλά η ομάδα του Hölldobler ανακάλυψε αργότερα ότι τα έντομα χρησιμοποιούν όντως χημικούς δείκτες, περιορίζοντας τη χρησιμότητα του μοντέλου.

Επί του παρόντος λείπει επίσης μια εξελικτική προσέγγιση για την κατανόηση της συμπεριφοράς των μυρμηγκιών. "Εάν μπορούμε να καταλάβουμε πώς οι κανόνες προκύπτουν από άλλους κανόνες και πώς αλλάζουν με το περιβάλλον, αυτό θα ήταν εξαιρετικά καρποφόρο", δήλωσε ο Adami, ο οποίος σχεδιάζει να συνεργαστεί με τη Garnier σε αυτήν την ερώτηση.

Εν τω μεταξύ, οι μηχανικοί ονειρεύονται ήδη χρήσιμες εφαρμογές. Ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν τις αρχές κατασκευής μυρμηγκιών για να σχεδιάσουν αρθρωτά ρομπότ που μπορούν να αυτοοργανώνονται. Ο Adami φαντάζεται ένα σμήνος ρομπότ που στέλνεται στον Άρη για να χτίσει μια δομή από το έδαφος του Άρη πριν από την άφιξη των ανθρώπων. Η ομορφιά ενός αποκεντρωμένου συστήματος είναι ότι ένα έργο μπορεί να πετύχει ακόμα κι αν αποτύχουν μεμονωμένα μέρη.

Η δυναμική αρχιτεκτονική μυρμηγκιών μπορεί επίσης να παρέχει πληροφορίες για το πώς να κάνετε τα κτίρια πιο προσαρμοστικά, αλλάζοντας τις ιδιότητές του με βάση τον αριθμό των ατόμων που βρίσκονται μέσα, για παράδειγμα. Για να δημιουργήσετε ένα ζωντανό κτίριο, "πρέπει να παρακολουθείτε συνεχώς το περιβάλλον και την επίδραση που έχει το σμήνος στο περιβάλλον", είπε ο Turner.

Τα μυρμήγκια θα μπορούσαν να ρίξουν φως στην περίπλοκη οργάνωση του οργάνου που χρησιμοποιούμε για να τα μελετήσουμε - τον εγκέφαλο. Η συμπεριφορά μιας κοινότητας μυρμηγκιών μοιάζει με την οργάνωση των νευρώνων σε έναν λειτουργικό εγκέφαλο, είπε ο Hölldobler. "Κάθε νευρώνας είναι σχετικά ανόητος, αλλά αν λάβετε δισεκατομμύρια νευρώνες, αλληλεπιδρούν με τρόπο που απλώς έχουμε χαράξει την επιφάνεια της κατανόησης."