النمل عبارة عن حفار مذهل ، يبني أعشاشًا متقنة من عدة طبقات متصلة بشبكة معقدة من الأنفاق ، تصل أحيانًا إلى أعماق تصل إلى 25 قدمًا. اليوم ، استخدم فريق من العلماء من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا التصوير بالأشعة السينية لالتقاط عملية حفر الأنفاق بواسطة النمل. اكتشف العلماء أن النمل قد تطور ليكتشف بشكل حدسي جزيئات الحبوب التي يمكنه إزالتها مع الحفاظ على الاستقرار الهيكلي ، تمامًا مثل إزالة الكتل الفردية في لعبة جينجا. وصف الفريق عملهم في ورقة جديدة نشرت في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.
كان العلماء المهتمون بالسلوك الجماعي يدرسون النمل منذ عقود. هذا لأن النمل ، كمجموعة ، يعمل كشكل من أشكال الوسط الحبيبي. يتصرف عدد قليل من النمل المتباعد بشكل جيد مثل النمل الفردي. حبوب ذرة حزمة ما يكفي منهم معًا بإحكام ويعملون كوحدة واحدة ، ويظهرون خصائص صلبة وسائلة. يمكنك صب النمل الناري من إبريق الشاي ، على سبيل المثال ، أو يمكن للنمل الارتباط ببعضه البعض لبناء أبراج أو طوافات عائمة. قد يكون النمل مخلوقات صغيرة ذات أدمغة صغيرة ، لكن هذه الحشرات الاجتماعية قادرة على ذلك تنظيم جماعي في مجتمع فعال للغاية لضمان بقاء المستعمرة.
منذ عدة سنوات، عالم الأحياء السلوكي غي ثيرولاز من معهد الدراسات المتقدمة في تولوز بفرنسا والعديد من الزملاء دمج التجارب المعملية مع النمل الأرجنتيني ونمذجة الكمبيوتر من أجل تحديد ثلاث قواعد بسيطة تحكم سلوك النمل في حفر الأنفاق. وهي: (1) جمع النمل الحبوب بمعدل ثابت (حوالي 2 حبة في الدقيقة) ؛ (2) يضع النمل حبوبه بشكل تفضيلي بالقرب من الحبوب الأخرى لتشكيل أعمدة ؛ و (3) يختار النمل عمومًا الحبوب الموسومة بفرمون كيميائي بعد أن يتعامل معها النمل الآخر. ثيراولاز وآخرون. قاموا ببناء محاكاة حاسوبية بناءً على هذه القواعد الثلاثة ووجدوا أنه بعد أسبوع ، بنى النمل الافتراضي هيكلًا يشبه إلى حد كبير أعشاش النمل الحقيقية. وخلصوا إلى أن هذه القواعد تنبثق من التفاعلات المحلية بين النمل الفردي ، دون الحاجة إلى تنسيق مركزي.
في الآونة الأخيرة ، أ ورق 2020 وجدت أن الديناميكية الاجتماعية إن كيفية ظهور تقسيم العمل في مستعمرة النمل يشبه الطريقة التي يتطور بها الاستقطاب السياسي في الشبكات الاجتماعية البشرية. النمل أيضًا جيدون في تنظيم تدفق حركة المرور الخاصة بهم. أ دراسة 2018 من قبل مجموعة دانيال جولدمان في Georgia Tech بحثت في كيفية قيام النمل الناري بتحسين جهود حفر الأنفاق دون التسبب في اختناقات مرورية. مثلنا ذكرت في ذلك الوقت، خلصت المجموعة إلى أنه عندما تواجه نملة نفقًا يعمل فيه النمل الآخر بالفعل ، فإنها تتراجع للعثور على نفق آخر. وفقط جزء صغير من المستعمرة يحفر في أي وقت: 30 بالمائة منهم يقومون بـ 70 بالمائة من العمل.
كما درست مجموعة الحركة البيولوجية التابعة لديفيد هو في جامعة جورجيا للتكنولوجيا النمل الناري. في عام 2019 ، أفاد هو وزملاؤه يستطيع النمل الناري أن يكتشف بنشاط التغيرات في القوى المؤثرة على طوافتهم العائمة. يتعرف النمل على ظروف تدفق السوائل المختلفة ويمكنه تكييف سلوكه وفقًا لذلك للحفاظ على استقرار الطوافة. سيخلق مجداف يتحرك عبر مياه النهر سلسلة من الدوامات الدوامة (المعروفة باسم فقد الدوامة) ، مما يتسبب في دوران أطواف النمل. يمكن لهذه الدوامات أيضًا أن تمارس قوى إضافية على الطوافة كافية لكسرها. التغيرات في قوى الطرد المركزي والقص المؤثرة على الطوافة صغيرة جدًا ، ربما 2-3٪ من قوة الجاذبية الطبيعية. ومع ذلك ، يمكن للنمل بطريقة ما أن يشعر بهذه التغييرات الصغيرة في أجسادهم.
تركز هذه المقالة الأخيرة على النمل الغربي الحاصد (Pogonomyrmex occidentalis) ، تم اختيارها لقدرتها الغزيرة على الحفر باستخدام حبيبات التربة على نطاق مليمتر. كان المؤلف المشارك خوسيه أندرادي ، مهندس ميكانيكي في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، مصدر إلهام لاستكشاف النمل النفقي بعد رؤية أمثلة على فن عش النمل. يتم إنشاء القطع عن طريق صب نوع من المعدن المنصهر أو الجص أو الأسمنت في عش النمل ، والذي يمر عبر جميع الأنفاق ويتصلب في النهاية. ثم يتم إزالة التربة المحيطة للكشف عن الهيكل النهائي المعقد. كان أندرادي منبهرًا جدًا لدرجة أنه بدأ يتساءل عما إذا كان النمل “يعرف” حقًا كيفية حفر هذه الهياكل.
آر بي دي ماسيدو وآخرون ، 2021
تعاونت أندرادي مع المهندس البيولوجي في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا جو باركر في المشروع ؛ يركز بحث باركر على العلاقات البيئية للنمل مع الأنواع الأخرى. “لم نجري مقابلة مع أي نمل لنسألهم عما إذا كانوا يعرفون ما يفعلونه ، لكننا بدأنا بفرضية أنهم يحفرون عمدا ،” قال أندرادي. “لقد توقعنا أن النمل ربما كان يلعب جينجا. “
بعبارة أخرى ، اشتبه الباحثون في أن النمل كان ينقب في الأرض بحثًا عن حبيبات سائبة لإزالتها ، بنفس الطريقة التي يبحث بها الناس عن الكتل السائبة لإزالتها من جينجا البرج ، وترك الأجزاء الحاملة الحرجة في مكانها. تعتبر هذه الكتل جزءًا مما يسمى “سلسلة القوة” التي تعمل على ربط الكتل الإسفينية (أو جزيئات التربة الحبيبية ، في حالة عش النمل) معًا لإنشاء بنية مستقرة.
من أجل تجاربهم ، قام أندرادي وزملاؤه بخلط 500 مل من تربة كويكريت مع 20 مل من الماء ووضعوا الخليط في عدة أكواب صغيرة من التربة. تم اختيار حجم الآبار بناءً على سهولة وضعها داخل جهاز التصوير المقطعي المحوسب. من خلال التجربة والخطأ ، بدءًا من نملة وزيادة العدد تدريجيًا ، حدد الباحثون عدد النمل اللازم لتحقيق معدل الحفر الأمثل: 15.
أجرى الفريق مسحًا مدته أربع دقائق بنصف دقة كل 10 دقائق بينما كان النمل يحفر الأنفاق لمراقبة تقدمهم. من الصور ثلاثية الأبعاد الناتجة ، قاموا بإنشاء “أفاتار رقمي” لكل جسيم في العينة ، والتقاط شكل وموضع واتجاه كل حبة ، والتي يمكن أن تؤثر بشكل كبير على توزيع القوى في الجزيئات ، عينات التربة. تمكن الباحثون أيضًا من تحديد الترتيب الذي تمت إزالة كل حبة به بواسطة النمل من خلال مقارنة الصور التي تم التقاطها في نقاط زمنية مختلفة.
خوسيه إي أندرادي وديفيد آر ميلر / معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا
لم يكن النمل متعاونًا دائمًا عندما يتعلق الأمر بحفر أنفاقه بجدية. “هم نوع من المزاج” ، قال أندرادي. “إنهم يحفرون عندما يريدون. كنا نضع هؤلاء النمل في وعاء ، وسيبدأ البعض في الحفر على الفور ، وسيحرزون تقدمًا مذهلاً. لكن البعض الآخر – سيستغرق ساعات ولن يحفروا على الإطلاق. والبعض يحفر لبعض الوقت ، ثم يتوقف ويستريح “.
لاحظ أندرادي وباركر بعض الاتجاهات الناشئة في تحليلهما. على سبيل المثال ، عادةً ما يختبئ النمل على طول الحواف الداخلية للأكواب ، وهي استراتيجية فعالة ، حيث يمكن أن تكون جوانب الكؤوس جزءًا من هيكل النفق ، مما يوفر على النمل القليل من الجهد. فضل النمل أيضًا الخطوط المستقيمة لأنفاقهم ، وهو تكتيك يزيد من الكفاءة. وكان النمل يميل إلى حفر أنفاقه بشدة قدر الإمكان. أقصى حد ممكن في وسط حبيبي مثل التربة يسمى “زاوية الراحة” ؛ تتجاوز هذه الزاوية وسوف ينهار الهيكل. في كلتا الحالتين ، يمكن للنمل اكتشاف هذه العتبة الحرجة ، والتأكد من أن أنفاقهم لا تتجاوز زاوية الراحة.
بالنسبة للفيزياء الأساسية ، وجد الفريق أنه عندما يزيل النمل حبيبات التربة لحفر أنفاقهم ، فإن سلاسل القوة التي تعمل على الهيكل أعيد ترتيبها من توزيع عشوائي لتشكيل طبقة من الفرز حول الجزء الخارجي من النفق. إعادة توزيع القوى هذه تقوي الجدران الموجودة للنفق وتخفف الضغط الذي تمارسه الحبيبات في نهاية النفق ، مما يسهل على النمل إزالة هذه الحبيبات لتوسيع النفق بشكل أكبر.
“إنه لغز في كل من الهندسة وبيئة النمل كيف يبني النمل هذه الهياكل التي استمرت لعقود” ، يقول باركر. “اتضح أنه من خلال إزالة النوى في هذا النمط الذي لاحظناه ، يستفيد النمل من هذه السلاسل ذات القوة المحيطية أثناء الحفر.” ينقر النمل على الحبوب الفردية لتقييم القوى الميكانيكية المؤثرة عليها.
يرى باركر أنها نوع من الخوارزمية السلوكية. “هذه الخوارزمية غير موجودة في نملة واحدة ،” قال. “إنه سلوك المستعمرة الناشئ لكل هؤلاء النحل العامل الذي يتصرف مثل كائن حي خارق. الطريقة التي ينتشر بها هذا البرنامج السلوكي عبر الأدمغة الدقيقة لكل هؤلاء النمل هي إحدى عجائب العالم الطبيعي التي ليس لدينا تفسير لها.”
DOI: PNAS ، 2021. 10.1073 / pnas.2102267118 (حول DOIs).
بإذن من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.
