النمل عبارة عن حفّارين مذهلين ، يبنون أعشاشًا متقنة ذات طبقات متعددة متصلة بشبكة معقدة من الأنفاق ، تصل أحيانًا إلى أعماق تصل إلى 25 قدمًا. الآن ، استخدم فريق من العلماء من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا التصوير بالأشعة السينية لالتقاط عملية كيفية بناء النمل لأنفاقه. وجد العلماء أن النمل قد تطور ليشعر بشكل بديهي بجزيئات الحبوب التي يمكنه إزالتها مع الحفاظ على استقرار الهيكل ، 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 ، يتصرف مثل شكل من أشكال الوسائط الحبيبية. يتصرف عدد قليل من النمل المتباعد بشكل جيد مثل النمل الفردي. لكن حزمة ما يكفي منهم معًا بشكل وثيق ويعملان كوحدة واحدة ، تظهر 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 أنفسهم بشكل جماعي في مجتمع عالي الكفاءة لضمان بقاء المستعمرة.
قبل عدة سنوات، عالم الأحياء السلوكي غي ثيراولاز من معهد الدراسات المتقدمة في تولوز بفرنسا ، وقام العديد من الزملاء بدمج التجارب المعملية مع النمل الأرجنتيني ونمذجة الكمبيوتر من أجل تحديد ثلاث قواعد بسيطة تحكم سلوك النمل في حفر الأنفاق. للذكاء: (1) يلتقط النمل الحبوب بمعدل ثابت (حوالي 2 حبة كل دقيقة) ؛ (2) يفضل النمل إلقاء حبيباته بالقرب من الحبوب الأخرى لتشكيل أعمدة ؛ و (3) يختار النمل عادة الحبوب المميزة بفرمون كيميائي بعد أن يتعامل معها النمل الآخر. ثيراولاز وآخرون. قام ببناء محاكاة حاسوبية بناءً على هذه القواعد الثلاثة ووجدوا أنه بعد أسبوع ، بنى النمل الافتراضي بنية تشبه إلى حد بعيد أعشاش النمل الحقيقية. وخلصوا إلى أن هذه القواعد تنبثق من التفاعلات المحلية بين النمل الفردي ، دون الحاجة إلى التنسيق المركزي.
في الآونة الأخيرة ، أ ورق 2020 وجدت أن الديناميكية الاجتماعية إن كيفية ظهور تقسيم العمل في مستعمرة النمل يشبه كيفية تطور الاستقطاب السياسي في الشبكات الاجتماعية البشرية. يتفوق النمل أيضًا في تنظيم تدفق حركة المرور الخاصة به. 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. كما نحن ذكرت في ذلك الوقت، خلصت المجموعة إلى أنه عندما تواجه نملة نفقًا يعمل فيه النمل الآخر بالفعل ، فإنها تتراجع للعثور على نفق آخر. وجزء صغير فقط من المستعمرة يقوم بالحفر 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 أن النمل الناري يمكنه أن يشعر بنشاط بالتغيرات في القوى المؤثرة على طوفه العائم. يتعرف النمل على الظروف المختلفة لتدفق السوائل ويمكنه تكييف سلوكه وفقًا لذلك للحفاظ على استقرار الطوافة. سيخلق المجذاف الذي يتحرك عبر مياه النهر سلسلة من الدوامات الدوامة (المعروفة باسم ذرف الدوامة) ، مما يتسبب في دوران أطواف النمل. يمكن لهذه الدوامات أيضًا أن تمارس قوى إضافية على الطوافة ، كافية لتفكيكها. التغيرات في كل من قوى الطرد المركزي وقوى القص التي تعمل على الطوافة صغيرة جدًا – ربما 2 في المائة إلى 3 في المائة من قوة الجاذبية العادية. ومع ذلك ، بطريقة ما ، يمكن للنمل أن يشعر بهذه التحولات الصغيرة بأجسادهم.
تركز هذه الورقة الأخيرة على النمل الغربي الحاصد (Pogonomyrmex occidentalis) ، تم اختيارها بسبب قدرتها الغزيرة على الحفر بحبوب التربة بمقياس المليمتر. 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 كومة النمل ، والتي تتدفق عبر جميع الأنفاق وتتصلب 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” بالفعل كيفية حفر تلك 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 لسؤاله عما إذا كانوا يعرفون ما يفعلونه ، لكننا بدأنا بفرضية أنهم يحفرون بطريقة متعمدة ،” قال أندرادي. “لقد افترضنا أن النمل ربما كان يلعب جينجا. “
بعبارة أخرى ، اشتبه الباحثون في أن النمل يتجول في التربة بحثًا عن الحبوب السائبة لإزالتها ، بالطريقة نفسها التي يبحث بها الناس عن الكتل السائبة لإزالتها من جينجا البرج ، وترك القطع الحاملة الحرجة في مكانها. هذه الكتل هي جزء مما يعرف باسم “سلسلة القوة” التي تعمل على تشويش الكتل (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 الأكواب لمدى سهولة وضعها داخل جهاز التصوير المقطعي المحوسب. من خلال التجربة والخطأ – بدءًا من نملة واحدة وزيادة العدد تدريجيًا – حدد الباحثون عدد النمل اللازم لتحقيق معدل الحفر الأمثل: 15.
أخذ الفريق أربع دقائق ونصف الدقة كل 10 دقائق بينما كان النمل يحفر نفقًا لمراقبة تقدمهم. من الصور ثلاثية الأبعاد الناتجة ، قاموا بإنشاء “أفاتار رقمي” لكل جزء في العينة ، والتقاط شكل كل حبة وموضعها واتجاهها – وكلها يمكن أن تؤثر بشكل كبير على توزيع القوى في عينات التربة. تمكن الباحثون أيضًا من معرفة الترتيب الذي تم به إزالة كل حبة بواسطة النمل من خلال مقارنة الصور التي تم التقاطها في حالات مختلفة في الوقت المناسب.
خوسيه إي أندرادي وديفيد آر ميلر / معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا
لم يكن النمل متعاونًا دائمًا عندما يتعلق الأمر بحفر أنفاقهم بجدية. “إنهم متقلدون نوعًا ما” قال أندرادي. “إنهم يحفرون وقتما يريدون. كنا نضع هؤلاء النمل في حاوية ، وسيبدأ البعض في الحفر على الفور ، وسيحققون هذا التقدم المذهل. لكن البعض الآخر – سيستغرق ساعات ولن يحفروا على الإطلاق. كان البعض يحفر لبعض الوقت ثم يتوقف ويستريح “.
لاحظ أندرادي وباركر بعض الأنماط الناشئة في تحليلهما. على سبيل المثال ، عادة ما يحفر النمل على طول الحواف الداخلية للأكواب – وهي استراتيجية فعالة ، حيث يمكن أن تكون جوانب الكؤوس جزءًا من هيكل الأنفاق ، مما يوفر للنمل القليل من الجهد. فضل النمل أيضًا الخطوط المستقيمة لأنفاقهم ، وهو أسلوب يعمل على تحسين الكفاءة. وكان النمل يميل إلى حفر أنفاقه بشدة قدر الإمكان. أقصى حد ممكن في وسط حبيبي مثل التربة يسمى “زاوية الراحة” ؛ تتجاوز تلك الزاوية ، وسوف ينهار الهيكل. بطريقة ما ، يمكن للنمل أن يشعر بهذه العتبة الحرجة ، مع التأكد من أن أنفاقهم لا تتجاوز زاوية الراحة.
بالنسبة للفيزياء الأساسية ، اكتشف الفريق أنه عندما قام النمل بإزالة حبيبات التربة لحفر أنفاقهم ، فإن سلاسل القوة التي تعمل على الهيكل أعادت ترتيب نفسها من توزيع عشوائي لتشكيل نوع من الخطوط الملاحية المنتظمة حول النفق الخارجي. تعمل إعادة توزيع القوى هذه على تقوية جدران النفق الحالية وتخفيف الضغط الذي تمارسه الحبوب في نهاية النفق ، مما يسهل على النمل إزالة تلك الحبوب لتمديد النفق إلى أبعد من ذلك.
“لقد كان لغزا في كل من الهندسة وبيئة النمل كيف يبني النمل هذه الهياكل التي استمرت لعقود” ، قال باركر. “اتضح أنه من خلال إزالة الحبوب في هذا النمط الذي لاحظناه ، يستفيد النمل من سلاسل القوة المحيطية هذه أثناء حفرهم للأسفل.” يضغط النمل على الحبوب الفردية لتقييم القوى الميكانيكية التي تمارس عليها.
يعتقد باركر أنها نوع من الخوارزمية السلوكية. “تلك الخوارزمية غير موجودة داخل نملة واحدة” هو قال. “إنه سلوك المستعمرة الناشئ لجميع هؤلاء العمال الذين يتصرفون مثل الكائنات الحية الخارقة. كيف ينتشر هذا البرنامج السلوكي عبر الأدمغة الدقيقة لكل هؤلاء النمل هو أحد عجائب العالم الطبيعي الذي لا يوجد لدينا تفسير له.”
DOI: PNAS ، 2021. 10.1073 / pnas.2102267118 (حول DOIs).
بإذن من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”