septembre 21, 2021

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Étude : les fourmis créent des tunnels stables dans les nids, tout comme les humains qui jouent au jinga

Zoom / Deux fourmis creusant un tunnel avec de la gelée verte. Une nouvelle étude du California Institute of Technology révèle que les fourmis recherchent et éliminent les grains de sol meubles lorsqu’elles creusent leurs tunnels, tout comme les humains enlèvent les touffes en jouant. jenga.

Les fourmis sont des creuseurs incroyables, construisant des nids élaborés à plusieurs niveaux reliés par un réseau complexe de tunnels, atteignant parfois des profondeurs allant jusqu’à 25 pieds. Aujourd’hui, une équipe de scientifiques du California Institute of Technology a utilisé l’imagerie par rayons X pour capturer le processus par lequel les fourmis construisent leurs tunnels. Les scientifiques ont découvert que les fourmis ont évolué pour détecter intuitivement les particules de grain qu’elles peuvent éliminer tout en maintenant la structure stable, tout comme en supprimant des blocs individuels dans un jeu. jenga. L’équipe a décrit son travail à nouveau papier Publié dans Actes de l’Académie nationale des sciences.

Les scientifiques intéressés par le comportement collectif étudient les fourmis depuis des décennies. C’est parce que les fourmis, en tant que groupe, se comportent comme une forme de milieu granulaire. Peu de fourmis espacées se comportent aussi bien que des fourmis individuelles. mais Emballez-en suffisamment Étroitement ensemble et fonctionnant comme une seule unité, ils présentent des propriétés solides et liquides. Vous pouvez verser des fourmis de feu d’une théière, par exemple, ou les fourmis peuvent se relier pour construire des tours ou des radeaux flottants. Les fourmis sont peut-être de petites créatures avec un petit cerveau, mais ces insectes sociaux sont capables de S’organiser collectivement Dans une communauté très efficace pour assurer la survie de la colonie.

Il y a plusieurs annéesBiologiste du comportement Guy Théraolase de l’Institut d’études avancées de Toulouse, en France, et plusieurs collègues ont combiné des expériences de laboratoire avec des fourmis argentines et une modélisation informatique afin de Définir trois règles simples Contrôler le comportement des fourmis en creusant des tunnels. Pour l’intelligence : (1) les fourmis ramassent les grains à un rythme constant (environ 2 grains par minute) ; (ii) Les fourmis préfèrent jeter leurs grains à proximité d’autres grains pour former des panaches ; et (3) les fourmis sélectionnent généralement les grains marqués d’une phéromone chimique après que d’autres fourmis les aient traités. Théraolase et d’autres. Il a construit une simulation informatique basée sur ces trois règles et a découvert qu’après une semaine, les fourmis virtuelles avaient construit une structure très similaire à de vrais nids de fourmis. Ils concluent que ces règles émergent d’interactions locales entre les fourmis individuelles, sans qu’une coordination centrale soit nécessaire.

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Récemment, un papier 2020 Je l’ai trouvé dynamique sociale La façon dont la division du travail émerge dans une colonie de fourmis est similaire à la façon dont la polarisation politique se développe dans les réseaux sociaux humains. Les fourmis excellent également à réguler leur propre flux de circulation. une Étude 2018 Le groupe de Daniel Goldman à Georgia Tech a étudié comment les fourmis de feu peuvent améliorer les efforts de creusement de tunnels sans provoquer d’embouteillages. comme nous sommes J’ai mentionné à ce moment-là, le groupe a conclu que lorsqu’une fourmi rencontre un tunnel dans lequel d’autres fourmis courent déjà, elle se retire pour trouver un autre tunnel. Et seule une petite partie de la colonie creuse à la fois : 30 pour cent d’entre eux font 70 pour cent du travail.

Le groupe de locomotion biologique de David Ho à Georgia Tech a également étudié les fourmis de feu. en 2019, Lui et ses collègues ont rapporté Que les fourmis de feu pouvaient ressentir activement les changements des forces agissant sur leur radeau flottant. Les fourmis reconnaissent différentes conditions d’écoulement des fluides et peuvent adapter leur comportement en conséquence pour maintenir la stabilité du radeau. Une rame se déplaçant dans l’eau de la rivière créera une série de tourbillons (connus sous le nom de vortex de chute), provoquant la rotation des radeaux des fourmis. Ces tourbillons peuvent également exercer des forces supplémentaires sur le radeau, suffisamment pour le briser. Les changements dans les forces centrifuges et les forces de cisaillement agissant sur le radeau sont très faibles – peut-être 2 à 3 pour cent de la force gravitationnelle normale. Cependant, d’une manière ou d’une autre, les fourmis peuvent ressentir ces petits changements avec leur corps.

Ce dernier article se concentre sur les fourmis moissonneuses occidentales (Pogonomyrmex occidentalis), a été choisi en raison de sa capacité prolifique à creuser dans les grains du sol à l’échelle millimétrique. Le co-auteur Jose Andrade, ingénieur en mécanique chez Caltech, a été inspiré pour explorer les fourmis tunnelières après avoir vu des exemples de L’art du nid de fourmis. Les pièces sont créées en versant une sorte de métal en fusion, de plâtre ou de ciment dans la fourmilière, qui traverse tous les tunnels et finit par se solidifier. Le sol environnant est ensuite retiré pour révéler la structure complexe finale. Andrade a été tellement impressionné qu’il a commencé à se demander si les fourmis “savaient” vraiment comment déterrer ces structures.

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En haut à gauche : conception expérimentale.  En haut à droite : image radiographique d'un tunnel terminé.  En bas à gauche : ajustement du modèle des particules enlevées.  En bas à droite : Reconstitution numérique des particules prélevées par les fourmis sur le site initial.
Zoom / En haut à gauche : conception expérimentale. En haut à droite : image radiographique d’un tunnel terminé. En bas à gauche : ajustement du modèle des particules enlevées. En bas à droite : Reconstitution numérique des particules prélevées par les fourmis sur le site initial.

RBD Macedo et al., 2021

Andrade a collaboré avec le bio-ingénieur de Caltech Joe Parker sur le projet ; Les recherches de Parker portent sur les relations écologiques des fourmis avec d’autres espèces. “Nous n’avons interrogé aucune fourmi pour leur demander si elles savaient ce qu’elles faisaient, mais nous sommes partis du principe qu’elles creusaient de manière délibérée.” Andrade a dit. « Nous avons supposé que les fourmis jouaient peut-être jenga. “

En d’autres termes, les chercheurs soupçonnaient que les fourmis parcouraient le sol à la recherche de grains en vrac à éliminer, de la même manière que les gens recherchent des touffes en vrac pour les éliminer. jenga tourelle, laissant les pièces d’appui critiques en place. Ces blocs font partie de ce qu’on appelle une “chaîne de force” qui bloque les blocs (ou les particules de sol granulaires, dans le cas d’une fourmilière) pour créer une structure stable.

Pour leurs expériences, Andrade et ses collègues ont mélangé 500 ml de terre de koekret avec 20 ml d’eau et ont placé le mélange dans plusieurs petites tasses de terre. La taille des cupules a été choisie en fonction de leur facilité d’insertion dans le tomodensitomètre. Par essais et erreurs, en commençant par une seule fourmi et en augmentant progressivement le nombre, les chercheurs ont déterminé le nombre de fourmis nécessaires pour atteindre le taux de creusement optimal : 15.

L’équipe a pris quatre minutes et demie toutes les 10 minutes pendant que les fourmis creusaient un tunnel pour surveiller leurs progrès. À partir des images 3D résultantes, ils ont créé un « avatar numérique » pour chaque partie de l’échantillon, capturant la forme, la position et l’orientation de chaque perle, ce qui peut grandement affecter la répartition des forces dans les échantillons de sol. Les chercheurs ont également pu apprendre l’ordre dans lequel chaque perle a été retirée par les fourmis en comparant des images prises dans différents états dans le temps.

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Forces granulaires (lignes noires) au même endroit dans le sol avant (à gauche) et après (à droite) le tunnel des fourmis.
Zoom / Forces granulaires (lignes noires) au même endroit dans le sol avant (à gauche) et après (à droite) le tunnel des fourmis.

Jose E. Andrade et David R. Miller / Caltech

Les fourmis n’étaient pas toujours coopératives lorsqu’il s’agissait de creuser sérieusement leurs tunnels. “Ils sont en quelque sorte imités” Andrade a dit. “Elles creusent quand elles veulent. Nous mettions ces fourmis dans un conteneur, et certaines commençaient à creuser tout de suite, et elles feraient des progrès incroyables. Mais d’autres – cela prendrait des heures et ne creuserait pas du tout. Certains creuseraient pour un pendant, puis arrêtez-vous et reposez-vous.

Andrade et Parker notent certains modèles émergents dans leur analyse. Par exemple, les fourmis creusent généralement le long des bords intérieurs des coupelles – une stratégie efficace, car les côtés des coupelles peuvent faire partie de la structure des tunnels, ce qui leur permet d’économiser un peu d’effort. Les fourmis préféraient également les lignes droites de leurs tunnels, une technique qui améliore l’efficacité. Les fourmis avaient tendance à creuser leurs tunnels aussi fort que possible. Autant que possible dans un milieu granulaire comme le sol est appelé « l’angle de repos » ; Dépassez cet angle et la structure s’effondrera. D’une manière ou d’une autre, les fourmis peuvent détecter ce seuil critique, en s’assurant que leurs tunnels ne dépassent pas l’angle de repos.

Pour la physique de base, l’équipe a découvert que lorsque les fourmis enlevaient les grains de sol pour creuser leurs tunnels, les chaînes de force agissant sur la structure se réorganisaient à partir d’une distribution aléatoire pour former une sorte de revêtement autour du tunnel extérieur. Cette redistribution des forces renforce les parois du tunnel existantes et soulage la pression exercée par les grains au bout du tunnel, ce qui permet aux fourmis de retirer plus facilement ces grains pour étendre encore plus le tunnel.

« La façon dont les fourmis construisent ces structures vieilles de plusieurs décennies est un mystère à la fois en ingénierie et en écologie des fourmis », a-t-il déclaré. Parker a dit. “Il s’avère qu’en supprimant le grain dans ce motif que nous avons observé, les fourmis profitent de ces chaînes de force océanique lorsqu’elles s’enfouissent.” Les fourmis pressent sur les grains individuels pour évaluer les forces mécaniques qui s’exercent sur eux.

Parker pense que c’est une sorte d’algorithme comportemental. Cet algorithme n’existe pas à l’intérieur d’une seule fourmi. il a dit. “C’est le comportement de colonie naissante de toutes ces ouvrières qui se comportent comme des super-organismes. Comment ce programme comportemental se propage à travers les micro-cerveaux de toutes ces fourmis est l’une des merveilles du monde naturel pour laquelle nous n’avons aucune explication.”

DOI : PNAS, 2021. 10.1073/pnas.2102267118 (À propos des DOI).

Avec l’aimable autorisation du California Institute of Technology.