Ein paar einfache Regeln bestimmen, wie sich schwimmende Feuerameisenflöße im Laufe der Zeit verformen

Feuerameisen sind ein biblisches Beispiel für Gruppenverhalten, sie können als Individuen handeln und sich als Reaktion auf Überschwemmungen zu schwimmenden Flößen zusammenschließen. Jetzt haben zwei Maschinenbauingenieure der University of Colorado, Boulder, einige einfache Regeln identifiziert, die zu regeln scheinen, wie sich schwimmende Feuerameisenflöße zusammenziehen und ihre Form im Laufe der Zeit ausdehnen neues Papier Veröffentlicht in der Zeitschrift PLOS Computational Biology. Die Hoffnung ist, dass sie durch ein besseres Verständnis der einfachen Regeln hinter dem Verhalten von Feuerameisen bessere Algorithmen entwickeln können, die steuern, wie Schwärme von Robotern interagieren.

Es ist keine Frage der mentalen Stärke oder sorgfältiger Planung. „Dieses Verhalten kann im Wesentlichen spontan auftreten“, sagte Co-Autor Robert Wagner. „Es ist nicht notwendigerweise eine zentrale Entscheidungsfindung durch die Ameisen erforderlich.“ Tatsächlich sind „einzelne Ameisen nicht so intelligent, wie man meinen könnte, aber zusammen werden sie zu sehr intelligenten und widerstandsfähigen Gemeinschaften.“ Co-Autor Frank Fernery sagte:.

wie wir sind Ich habe vorhin erwähnt, verhalten sich ein paar weit auseinander liegende Ameisen wie einzelne Ameisen. Aber packen Sie genug davon eng zusammen, und sie verhalten sich wie eine einzelne Einheit und weisen feste und flüssige Eigenschaften auf. Es kann Flöße oder Türme bilden und Sie können es sogar als Flüssigkeit aus der Teekanne gießen. Feuerameisen sind auch hervorragend darin, ihre Ameisen zu organisieren Verkehrsfluss.

Jede Ameise allein hat ein gewisses Maß an Hydrophobie – die Fähigkeit, Wasser abzustoßen – und das Eigentum wurde verdichtet Wenn sie zusammengebunden sind, weben sie ihre Körper wie einen wasserdichten Stoff. Sie sammeln alle Eier, bahnen sich ihren Weg an die Oberfläche durch ihre Nesttunnel, und wenn das Hochwasser steigt, knabbern sie sich gegenseitig mit ihren Mandibeln und Krallen an den Körpern, bis sich eine flache, floßartige Struktur bildet, in der sich jede Ameise wie eine verhält einzelnes Molekül in einer Substanz – etwa Sandkörner in einem Sandhaufen.

Ameisen können dies in weniger als 100 Sekunden erreichen. Darüber hinaus ist das Ameisenfloß „selbstheilend“: Es ist stark genug, dass, wenn hier und da eine Ameise verloren geht, die Gesamtstruktur auch über Monate hinweg stabil und intakt bleiben kann. Kurz gesagt, das Ameisenfloß ist ein Superorganismus.

Im Jahr 2019 haben Forscher der Georgia Tech Beweise das Feuerameisen können Änderungen der auf das Floß wirkenden Kräfte unter verschiedenen Flüssigkeitsbedingungen aktiv wahrnehmen und ihr Verhalten entsprechend anpassen, um das Floß stabil zu halten. Zum Beispiel war die Fläche des Floßes bei der Scherkraft viel kleiner als wenn die Ameisen nur der Zentrifugalkraft ausgesetzt waren. Die letzteren Ameisen erfahren, wo sie im Ameisenfloß platziert werden, während nur Ameisen an der Grenze die stärkste Scherkraft erfahren. Wissenschaftler stellten die Hypothese auf, dass die kleinen Flöße das Ergebnis von Ameisen sind, die versuchen, nicht an der Grenze zu sein, und dabei die Oberfläche verkleinern.

Das Georgia Tech-Team bemerkte auch, dass Feuerameisen in einem Floß weiter untersuchen, ob das Floß stationär ist oder nicht, und sich normalerweise horizontal, aber auch vertikal ausbreiten, um temporäre turmartige Strukturen zu bauen, in der Hoffnung, einen hängenden Ast zum Trocknen zu finden . Boden. Es würde viel weniger Erkundungsverhalten geben, wenn sich das Ameisenfloß als Reaktion auf Zentrifugal- oder Scherkräfte drehen würde.

Die neue Forschung von Vernerey und Wagner basiert auf lernen Sie haben letztes Jahr veröffentlicht. Sie führten Experimente durch, indem sie Horden von Feuerameisen in einen Wassereimer mit einem vertikalen Plastikstab in der Mitte fallen ließen und dann das Floßbauverhalten der Ameisen über die nächsten acht Stunden beobachteten. Die Idee war, zu beobachten, wie sich die Flöße im Laufe der Zeit entwickelt haben. Beachten Sie, dass die Pontons ihre Form nicht beibehalten haben. Manchmal sind die Strukturen zu dichten Ameisenkreisen zusammengedrückt. In anderen Fällen beginnen Ameisen, sich auszubreiten, um brückenartige Erweiterungen zu bilden, und verwenden sie manchmal, um Gehegen zu entkommen, was darauf hindeutet, dass das Verhalten einen evolutionären Vorteil haben könnte.

Das Duo war fasziniert davon, wie die Ameisen diese Formveränderungen durch einen Prozess erreichen, den sie „Mühle“ nannten. Schwimmer bestehen hauptsächlich aus zwei unterschiedlichen Schichten. Die Ameisen in der unteren Schicht dienen einem strukturellen Zweck, da sie die stabile Basis des Floßes bilden. Aber die Ameisen in der oberen Schicht bewegen sich frei über den Körpern ihrer Brüder in der unteren Schicht. Ameisen bewegen sich manchmal von der untersten Schicht zur obersten Schicht oder von der obersten Schicht zur untersten Schicht in einem Kreislauf, den Wagner einen „tortenförmigen Teufelskreis“ nennt.

Vernerey und Wagner wollten feststellen, ob dieses Tretmühlenverhalten eine bewusste Entscheidung der Ameisen war oder spontan auftrat. Also entwickelten sie eine Reihe von faktorbasierten Modellen, die aus 2.000 Partikeln („Faktoren“) bestehen, die jede einzelne Ameise darstellen und auf ein Netzwerk von Wasserknoten beschränkt sind. Eine Gruppe von Arbeiterameisen (in Cyan dargestellt) bildete das strukturelle Kernnetzwerk, die andere Arbeiterameisen konnten sich frei über sie bewegen (rot dargestellt).

Die Ameisen sind so programmiert, dass sie einfache Regeln befolgen, z. B. Kollisionen mit anderen Ameisen vermeiden und nicht ins Wasser fallen („Randablagerungsregel“). Dann ließen sie die Simulation spielen. Und die simulierten Ameisen verhielten sich sehr ähnlich wie ihre realen Gegenstücke.

Wenn zum Beispiel aktive Arbeiterinnen den Rand des Floßes erreichen und mit Wasser in Kontakt kommen, vermeiden sie es, ins Wasser zu gehen, es sei denn, sie werden von nahen aktiven Arbeiterinnen dazu gezwungen – und auch dann nur, wenn genügend Ameisen die Struktur stützen. es zu ergreifen. Die Simulationen zeigten auch, dass sich spontan brückenartige Vorsprünge bildeten, und die Forscher konnten diese Formationen mit der relativen Aktivität der Ameisen korrelieren. Je aktiver die Ameisen sind, desto wahrscheinlicher bilden sich Beulen.

„Die Ameisen an den Spitzen dieser Ausläufer werden fast vom Rand weg ins Wasser gedrückt, wodurch ein außer Kontrolle geratener Effekt entsteht“, sagte Wagner. Es ist möglich, dass diese Aufschlüsse ein Mittel sind, mit dem Feuerameisen auf einem Floß ihre Umgebung erkunden, vielleicht auf der Suche nach Baumstämmen oder trockenem Land.

Die Autoren folgerten: „Obwohl Hinweisfaktoren wie Pheromone nicht ausgeschlossen sind und in zukünftigen experimentellen Studien getestet werden sollten, stellt dieses Modell im Allgemeinen lokale Mechanismen dar, durch die Feuerameisen ohne zentrale Kontrolle oder zielgerichtete Absicht Gang- und Moorhuhnwachstum erreichen können.“ Sie erkennen jedoch an, dass dies ein homogenes Modell ist und dass es wahrscheinlich mehr als ein Regelwerk gibt, das das Verhalten von Laufbändern und das Auftreten von Sporen regelt – ein weiterer zukünftiger Schwerpunkt ihrer Forschung.

DOI: PLOS Computational Biology, 2022. 10.1371 / journal.pcbi.1009869 (Über DOIs).