تحدد بعض القواعد البسيطة كيف تغير طوافات النمل الناري العائم شكلها بمرور الوقت

يعتبر النمل الناري مثالاً كتابيًا للسلوك الجماعي ، فهو قادر على التصرف كأفراد ، وأيضًا يتحد معًا لتشكيل أطواف عائمة استجابة للفيضانات. حدد الآن زوجان من المهندسين الميكانيكيين من جامعة كولورادو ، بولدر ، بعض القواعد البسيطة التي يبدو أنها تحكم كيفية تقلص أطواف النمل الناري العائمة وتوسيع شكلها بمرور الوقت ، وفقًا لـ ورقة جديدة نُشر في مجلة PLOS Computational Biology. الأمل هو أنه من خلال اكتساب فهم أفضل للقواعد البسيطة الكامنة وراء سلوك النمل الناري ، يمكنهم تطوير خوارزميات أفضل تتحكم في كيفية تفاعل أسراب الروبوتات.

إنها ليست مسألة قوة عقلية أو تخطيط دقيق. قال المؤلف المشارك روبرت واجنر: “يمكن أن يحدث هذا السلوك ، بشكل أساسي ، بشكل تلقائي”. “ليست هناك حاجة بالضرورة إلى اتخاذ أي قرار مركزي من قبل النمل.” في الواقع ، “لا يتمتع النمل العازب بالذكاء الذي قد يظنه المرء ، ولكن بشكل جماعي ، يصبح مجتمعات ذكية جدًا ومرنة ،” قال المؤلف المشارك فرانك فيرنيري.

كما نحن ذكرت سابقا، يتصرف عدد قليل من النمل المتباعدة جيدًا مثل النمل الفردي. لكن احزم ما يكفي منها معًا بشكل وثيق ، وستتصرف وكأنها وحدة واحدة ، تظهر خصائص صلبة وسائلة. يمكن أن تشكل أطوافًا أو أبراجًا ، ويمكنك حتى سكبها من إبريق الشاي مثل السوائل. يتفوق النمل الناري أيضًا في تنظيم نمله تدفق حركة المرور.

أي نملة بمفردها لديها قدر معين من رهاب الماء – القدرة على صد الماء – وهذا تم تكثيف الممتلكات عندما يرتبطون ببعضهم البعض ، ينسجون أجسادهم مثل نسيج مقاوم للماء. يجمعون أي بيض ، ويشقون طريقهم إلى السطح عبر أنفاقهم في العش ، ومع ارتفاع مياه الفيضان ، سوف يقضمون أجساد بعضهم البعض بفكهم السفلي ومخالبهم ، حتى يتشكل هيكل يشبه الطوافة المسطحة ، مع كل نملة تتصرف مثل جزيء فردي في مادة – لنقل ، حبات الرمل في كومة رمل.

يمكن للنمل تحقيق ذلك في أقل من 100 ثانية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن طوف النمل “يشفي ذاتيًا”: إنه قوي بما يكفي أنه إذا فقد نملة هنا وهناك ، يمكن أن يظل الهيكل العام مستقرًا وسليمًا ، حتى لعدة أشهر في كل مرة. باختصار ، طوف النمل كائن حي خارق.

في عام 2019 ، باحثون في Georgia Tech أثبت ذلك يمكن للنمل الناري أن يشعر بنشاط بالتغيرات في القوى المؤثرة على الطوافة تحت ظروف السوائل المختلفة وتكييف سلوكهم وفقًا لذلك للحفاظ على استقرار الطوافة. على سبيل المثال ، مع قوة القص ، كانت مساحة الطوافة أصغر بكثير مما كانت عليه عندما واجه النمل قوة طرد مركزي فقط. يختبر النمل الأخير بغض النظر عن مكان وضعه في طوافة النمل ، في حين أن النمل فقط عند الحدود هو الذي يختبر أقوى قوة قص. افترض العلماء أن الأطواف الصغيرة هي نتيجة محاولة النمل تجنب التواجد على الحدود ، مما يقلل من مساحة السطح في هذه العملية.

لاحظ فريق Georgia Tech أيضًا أن النمل الناري في طوف يستكشف المزيد عما إذا كانت الطوافة ثابتة أم لا ، وعادة ما تنتشر أفقيًا ، ولكن أيضًا عموديًا ، لبناء هياكل مؤقتة شبيهة بالبرج على أمل العثور على فرع معلق ليمسك به ليجف. الأرض. سيكون هناك سلوك استكشافي أقل بكثير إذا كانت طوافة النمل تدور استجابة لقوى الطرد المركزي أو القص.

يعتمد بحث Vernerey و Wagner الجديد على دراسة نشروا العام الماضي. أجروا تجارب عن طريق إلقاء جحافل من النمل الناري في دلو من الماء بقضيب بلاستيكي عمودي في المنتصف ، ثم راقبوا سلوك بناء الطوافة للنمل خلال الساعات الثماني التالية. كانت الفكرة هي مراقبة كيفية تطور الطوافات بمرور الوقت. لاحظوا أن الطوافات لم تحافظ على شكلها. في بعض الأحيان تنضغط الهياكل في دوائر كثيفة من النمل. في أحيان أخرى ، يبدأ النمل في الانتشار ليشكل امتدادات تشبه الجسور ، ويستخدمها أحيانًا للهروب من الحاويات ، مما يشير إلى أن السلوك قد يخدم ميزة تطورية.

كان الثنائي مفتونًا بكيفية تحقيق النمل لتلك التغييرات في الشكل من خلال عملية أطلقوا عليها اسم “المطحنة”. تتكون الأطواف بشكل أساسي من طبقتين متميزتين. يخدم النمل الموجود في الطبقة السفلية غرضًا هيكليًا ، حيث يشكل القاعدة الثابتة للطوف. لكن النمل الموجود في الطبقة العليا يتحرك بحرية فوق الأجسام المرتبطة لإخوانهم في الطبقة السفلية. ينتقل النمل أحيانًا من الطبقة السفلية إلى الطبقة العليا ، أو من الطبقة العلوية إلى الطبقة السفلية في دورة يسميها فاجنر “حلقة مفرغة على شكل كعكة دائرية”.

أراد Vernerey و Wagner تحديد ما إذا كان سلوك المطحنة هذا قرارًا متعمدًا من النمل ، أم أنه ظهر تلقائيًا. لذلك ابتكروا سلسلة من النماذج القائمة على العوامل المؤلفة من 2000 جسيم (“عوامل) تمثل كل نملة فردية ، محصورة في شبكة من العقد المائية. شكلت مجموعة واحدة من النمل العامل (كما هو موضح باللون السماوي) الشبكة الأساسية الهيكلية ؛ كان النمل العامل الآخر (الظاهر باللون الأحمر) أحرارًا في التحرك فوقهم.

تمت برمجة النمل لاتباع مجموعة بسيطة من القواعد ، مثل تجنب الاصطدام مع النمل الآخر ، وعدم السقوط في الماء (“قاعدة ترسيب الحافة”). ثم سمحوا للمحاكاة باللعب. وقد تصرف النمل المحاكي إلى حد كبير مثل نظرائهم في العالم الحقيقي.

على سبيل المثال ، عندما يصل النمل العامل النشط إلى حافة الطوافة ويتلامس مع الماء ، فإنه يتجنب الانتقال إلى الماء ما لم يُجبر على القيام بذلك من قبل النمل العامل النشط المجاور – وبعد ذلك فقط إذا كان هناك ما يكفي من النمل الداعم للهيكل. للاستيلاء عليها. أظهرت عمليات المحاكاة أيضًا نتوءات تشبه الجسور تتشكل تلقائيًا ، وتمكن الباحثون من ربط هذه التكوينات بالنشاط النسبي للنمل. كلما كان النمل أكثر نشاطًا ، زاد احتمال أن تبدأ النتوءات في التكون.

قال فاغنر: “يكاد النمل الموجود عند أطراف هذه النتوءات أن يُدفع بعيدًا عن الحافة في الماء ، مما يؤدي إلى تأثير هارب”. من الممكن أن تكون هذه النتوءات وسيلة يستخدمها النمل الناري على طوف لاستكشاف بيئته ، وربما البحث عن جذوع الأشجار أو الأرض الجافة.

وخلص المؤلفون إلى أنه “على الرغم من عدم استبعاد عوامل التلميح مثل الفيرومونات ويجب اختبارها في الدراسات التجريبية المستقبلية ، إلا أن هذا النموذج يطرح عمومًا آليات محلية يمكن من خلالها تحقيق النمل الناري لنمو المشي والنتوء دون تحكم مركزي أو نية هادفة”. ومع ذلك ، فهم يقرون بأن هذا نموذج متجانس ، وأنه من المحتمل أن يكون هناك أكثر من مجموعة واحدة من القواعد التي تحكم سلوك المطاحن وظهور النتوءات – وهو تركيز مستقبلي آخر لأبحاثهم.

DOI: علم الأحياء الحسابي PLOS ، 2022. 10.1371 / journal.pcbi.1009869 (حول DOIs).