As formigas são sepulturas incríveis que constroem ninhos elaborados de várias camadas conectadas por uma intrincada rede de túneis, às vezes atingindo 7 metros de profundidade. Agora, uma equipe de cientistas da Caltech usou raios-X para capturar o processo de como as formigas constroem seus túneis. Os cientistas descobriram que as formigas evoluíram para sentir intuitivamente quais partículas de grãos podem remover enquanto mantêm a estabilidade da estrutura, bem como remover blocos individuais em um jogo Jenga. A equipe descreveu seu trabalho em um novo papel publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences.

Cientistas interessados ​​em comportamento coletivo estudam formigas há décadas. Isso ocorre porque as formigas, como um grupo, agem como uma forma de mídia granular. Algumas formigas se comportam como formigas individuais a uma grande distância. mas embalar o suficiente ficar juntos e agir mais como uma unidade que tem propriedades sólidas e líquidas. Por exemplo, você pode despejar formigas de fogo de um bule ou as formigas se combinam para formar torres ou jangadas flutuantes. As formigas podem ser criaturas minúsculas com cérebros minúsculos, mas esses insetos sociais podem organizar coletivamente para uma comunidade altamente eficiente para garantir a sobrevivência da colônia.

Alguns anos atrás, Biólogo comportamental Guy Theraulaz do Instituto de Estudos Avançados de Toulouse, França, e vários colegas combinaram experimentos de laboratório com formigas argentinas e modelos de computador para Identifique três regras simples influencia o comportamento de túnel das formigas. Ou seja: (1) as formigas ingeriram grãos a uma taxa constante (aproximadamente 2 grãos por minuto); (2) as formigas preferencialmente largavam seus grãos perto de outros grãos para formar colunas; e (3) as formigas normalmente escolhem grãos marcados com um feromônio químico após serem manipulados por outras formigas. Theraulaz et al. criaram uma simulação de computador com base nessas três regras e descobriram que depois de uma semana suas formigas virtuais construíram uma estrutura muito semelhante a formigueiros reais. Eles concluíram que essas regras resultam de interações locais entre formigas individuais sem a necessidade de coordenação central.

Mais recentemente, um Papel de 2020 descobri que o dinamismo social A forma como a divisão do trabalho surge em uma colônia de formigas é semelhante ao desenvolvimento da polarização política nas redes sociais humanas. As formigas também são excelentes para regular seu próprio fluxo de tráfego. UMA Estudo 2018 do grupo de Daniel Goldman na Georgia Tech estudou como as formigas de fogo otimizam suas escavações em túneis sem criar congestionamento. Como nós relatado naquela época, o grupo concluiu que se uma formiga encontrar um túnel onde outras formigas já estão trabalhando, ela recuará para encontrar outro túnel. E apenas uma pequena fração das colônias escava em um determinado momento: 30% delas fazem 70% do trabalho.

O grupo de bio-locomoção de David Hu na Georgia Tech também analisou formigas de fogo. Em 2019, ele e seus colegas relataram que as formigas de fogo podem sentir ativamente as mudanças nas forças que atuam em sua jangada flutuante. As formigas reconhecem diferentes condições de fluxo e podem adaptar seu comportamento de acordo para manter a estabilidade da jangada. Um remo se movendo pela água do rio cria uma série de redemoinhos (conhecido como derramamento de vórtice), fazendo com que as formigas girem. Esses redemoinhos também podem colocar forças adicionais na balsa, o suficiente para separá-la. As mudanças nas forças centrífugas e de cisalhamento que atuam na jangada são muito pequenas – talvez 2 a 3 por cento da gravidade normal. Mas de alguma forma as formigas podem sentir essas pequenas mudanças em seus corpos.

Este último artigo enfoca as formigas da colheita ocidental (Pogonomyrmex occidentalis), que foram selecionados por sua capacidade produtiva de escavação com grãos de solo na faixa de milímetros. O coautor José Andrade, engenheiro mecânico da Caltech, se inspirou a pesquisar formigas de túnel depois de ver exemplos de. tem visto Formigueiro art. As peças são feitas despejando algum tipo de metal fundido, gesso ou cimento em um formigueiro que flui por todos os túneis e eventualmente endurece. Em seguida, o solo circundante é removido para revelar a intrincada estrutura final. Andrade ficou tão impressionado que se perguntou se as formigas realmente “sabiam” como cavar essas estruturas.

Andrade trabalhou com o bioengenheiro da Caltech Joe Parker no projeto; A pesquisa de Parker se concentra nas relações ecológicas das formigas com outras espécies. “Não entrevistamos formigas para perguntar se elas sabiam o que estavam fazendo, mas começamos com a hipótese de que estavam cavando de propósito.” disse Andrade. “Suspeitamos que as formigas podem estar brincando Jenga. “

Em outras palavras, os pesquisadores levantaram a hipótese de que as formigas estavam vasculhando o solo em busca de grãos soltos para remover, da mesma forma que os humanos procuram blocos soltos para retirá-los de um Jenga Torre com as peças de suporte de carga críticas no lugar. Esses blocos são parte do que é conhecido como uma “cadeia de força” que é usada para empurrar os blocos (ou partículas de solo granular, no caso de um formigueiro) juntos para criar uma estrutura estável.

Para seus experimentos, Andrade e seus colegas misturaram 500 ml de terra Quikrete com 20 ml de água e despejaram a mistura em várias pequenas xícaras de terra. O tamanho dos copos foi escolhido com base na facilidade com que podem ser colocados em um tomógrafo. Por tentativa e erro – começando com uma formiga e aumentando gradualmente o número – os pesquisadores determinaram o número de formigas necessárias para atingir a taxa de escavação ideal: 15.

A equipe executou varreduras de meia resolução de quatro minutos a cada 10 minutos, enquanto as formigas faziam túneis para monitorar seu progresso. A partir das imagens 3D resultantes, eles criaram um “avatar digital” para cada partícula da amostra, que registrou a forma, a posição e a orientação de cada grão – tudo isso pode influenciar significativamente a distribuição de forças nas amostras de solo. Os pesquisadores também conseguiram determinar a ordem em que cada grão foi removido das formigas, comparando imagens tiradas em momentos diferentes.

As formigas nem sempre cooperavam quando se tratava de cavar diligentemente seus túneis. “Você é meio temperamental”, Andrade disse. “Eles cavam quando querem. Colocamos essas formigas em um recipiente e algumas imediatamente começaram a cavar e fizeram um progresso incrível. Mas outros – levariam horas e eles não cavariam, alguns cavaram um pouco e depois pararam e fizeram uma pausa. “

Andrade e Parker notaram alguns padrões emergentes em sua análise. Por exemplo, as formigas costumam cavar nas bordas internas das tigelas – uma estratégia eficiente, pois as laterais das tigelas poderiam servir como parte da estrutura do túnel, poupando um pouco de força às formigas. As formigas também preferiram linhas retas para seus túneis, uma tática que otimiza a eficiência. E as formigas tendiam a cavar seus túneis o mais abruptamente possível. O limite mais íngreme possível em um meio granular como o solo é chamado de “ângulo de vibração”; exceda este ângulo e a estrutura entrará em colapso. De alguma forma, as formigas podem sentir esse limite crítico e garantir que seus túneis nunca cruzem o ângulo de repouso.

Quanto à física subjacente, a equipe descobriu que as cadeias de forças agindo na estrutura se reorganizaram de uma distribuição aleatória para formar uma espécie de revestimento ao redor do exterior de um túnel enquanto as formigas removiam grãos de terra para cavar seus túneis. Essa redistribuição de forças fortalece as paredes do túnel existentes e alivia os grãos no final do túnel, de modo que as formigas possam remover mais facilmente esses grãos para expandir ainda mais o túnel.

“Era um mistério tanto para a engenharia quanto para a ecologia das formigas como as formigas construíam essas estruturas que duram décadas.” disse Parker. “Descobriu-se que, ao remover grãos neste padrão que observamos, as formigas se beneficiam dessas cadeias de força em órbita à medida que cavam.” As formigas arrancam os grãos individuais para avaliar as forças mecânicas exercidas sobre eles.

Parker o vê como uma espécie de algoritmo comportamental. “Este algoritmo não existe dentro de uma única formiga”, ele disse. “É esse comportamento de colônia emergente de todas essas operárias que agem como um superorganismo. Como esse programa comportamental se espalha nos cérebros minúsculos de todas essas formigas é uma maravilha do mundo natural para a qual não temos explicação.”

DOI: PNAS, 2021. 10.1073 / pnas.2102267118 (Sobre DOIs)