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연구: 개미는 징가를 연주하는 인간처럼 둥지에 안정적인 터널을 만듭니다.

/ 녹색 젤리로 터널을 파는 두 마리의 개미. 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 새로운 연구에 따르면 인간이 놀면서 느슨한 덩어리를 제거하는 것처럼 개미는 터널을 파낼 때 느슨한 흙 알갱이를 찾아 제거합니다. 젠가.

개미는 놀라운 굴착기이며 복잡한 터널 네트워크로 연결된 정교한 다층 둥지를 만들고 때로는 최대 25피트 깊이에 도달하기도 합니다. 이제 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 과학자 팀이 X선 영상을 사용하여 개미가 터널을 만드는 과정을 포착했습니다. 과학자들은 개미가 게임에서 개별 블록을 제거하는 것처럼 구조를 안정적으로 유지하면서 제거할 수 있는 곡물 입자를 직관적으로 감지하도록 진화했다는 것을 발견했습니다. 젠가. 팀은 다음에서 작업을 설명했습니다. 새 종이 국립과학원 회보에 게재.

집단 행동에 관심이 있는 과학자들은 수십 년 동안 개미를 연구해 왔습니다. 이것은 개미가 집단으로서 일종의 세분화된 매체처럼 행동하기 때문입니다. 소수의 이격 개미는 개별 개미처럼 행동합니다. 하지만 충분히 포장하세요. 밀접하게 함께 작동하고 하나의 단위로 작동하여 고체 및 액체 특성을 나타냅니다. 예를 들어 찻주전자에서 불개미를 붓거나 개미가 함께 연결되어 떠 있는 탑이나 뗏목을 만들 수 있습니다. 개미는 작은 두뇌를 가진 작은 생물일 수 있지만 이러한 사회적 곤충은 집단적으로 조직하라 매우 효율적인 커뮤니티에서 식민지의 생존을 보장합니다.

몇 년 전행동생물학자 가이 테라올라제 프랑스 툴루즈에 있는 고급 연구 연구소(Institute for Advanced Studies)의 여러 동료와 여러 동료들이 실험실 실험을 아르헨티나 개미와 컴퓨터 모델링을 결합하여 다음을 수행했습니다. 세 가지 간단한 규칙 정의 굴을 파는 개미의 행동을 제어합니다. 지능을 위해: (1) 개미는 일정한 속도로 곡물을 집습니다(분당 약 2개의 곡물). (ii) 개미는 깃털을 형성하기 위해 다른 곡물 근처에서 곡물을 흘리는 것을 선호합니다. (3) 개미는 일반적으로 다른 개미가 처리한 후 화학 페로몬으로 표시된 곡물을 선택합니다. 테라올라제 다른 사람. 그는 이 세 가지 규칙을 기반으로 컴퓨터 시뮬레이션을 구축했으며 일주일 후에 가상 개미가 실제 개미 둥지와 매우 유사한 구조를 구축했음을 발견했습니다. 그들은 이러한 규칙이 중앙 조정의 필요 없이 개별 개미 사이의 국부적 상호작용에서 나온다고 결론지었습니다.

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최근에는 종이 2020 나는 그것을 발견했다 사회적 역동성 개미 군집에서 분업이 나타나는 방식은 인간의 사회적 네트워크에서 정치적 양극화가 발생하는 방식과 유사합니다. 개미는 또한 자신의 교통 흐름을 조절하는 데 탁월합니다. NS 2018년 연구 조지아 공대의 다니엘 골드만(Daniel Goldman) 그룹은 불개미가 교통 체증을 일으키지 않고 터널링 노력을 개선할 수 있는 방법을 연구했습니다. 우리처럼 그 때 언급한, 그룹은 개미가 다른 개미가 이미 달리고 있는 터널을 만나면 다른 터널을 찾기 위해 후퇴한다는 결론을 내렸습니다. 그리고 식민지의 작은 부분만이 한 번에 굴착합니다. 그들 중 30%가 작업의 70%를 수행합니다.

조지아 공대의 David Ho의 생물학적 운동 그룹도 불개미를 연구했습니다. 2019년, 그와 그의 동료들은 보고했다. 불개미가 떠다니는 뗏목에 작용하는 힘의 변화를 능동적으로 느낄 수 있도록. 개미는 유체 흐름에 대한 다양한 조건을 인식하고 그에 따라 뗏목을 안정되게 유지하기 위해 행동을 조정할 수 있습니다. 노는 강물을 통과하여 일련의 소용돌이(흘러내는 소용돌이로 알려짐)를 생성하여 개미의 뗏목을 회전시킵니다. 이러한 소용돌이는 또한 뗏목을 부수기에 충분한 추가 힘을 뗏목에 가할 수 있습니다. 뗏목에 작용하는 원심력과 전단력의 변화는 매우 작습니다. 아마도 정상 중력의 2~3%입니다. 그러나 어떻게든 개미는 이러한 작은 변화를 몸으로 느낄 수 있습니다.

이 마지막 논문은 서부 수확 개미에 초점을 맞추고 있습니다(포고노미르멕스 옥시덴탈리스), 밀리미터 단위로 토양 입자를 파내는 다작 능력 때문에 선택되었습니다. 공동 저자인 Caltech의 기계 엔지니어인 Jose Andrade는 개미의 둥지 예술. 조각은 어떤 종류의 용융 금속, 석고 또는 시멘트를 개미 언덕에 부어 만들어지며 모든 터널을 통해 흐르고 결국 응고됩니다. 그런 다음 주변 토양을 제거하여 최종 복잡한 구조를 나타냅니다. Andrade는 너무 감명을 받아 개미들이 그 구조물을 파내는 방법을 정말로 “알고” 있는지 궁금해하기 시작했습니다.

왼쪽 상단: 실험적 디자인.  오른쪽 상단: 완성된 터널의 X선 이미지.  왼쪽 하단: 제거된 입자의 모델 피팅.  오른쪽 하단: 초기 위치에서 개미가 제거한 입자의 수치적 재구성.
/ 왼쪽 상단: 실험적 디자인. 오른쪽 상단: 완성된 터널의 X선 이미지. 왼쪽 하단: 제거된 입자의 모델 피팅. 오른쪽 하단: 초기 위치에서 개미가 제거한 입자의 수치적 재구성.

RBD Macedo et al., 2021

Andrade는 프로젝트에서 Caltech 생명공학자인 Joe Parker와 협력했습니다. Parker의 연구는 다른 종과 개미의 생태학적 관계에 중점을 둡니다. “우리는 그들이 무엇을 하는지 알고 있는지 묻기 위해 어떤 개미도 인터뷰하지 않았지만 우리는 그들이 의도적으로 땅을 파고 있다는 전제에서 시작했습니다.” 안드라데가 말했다. “우리는 개미들이 놀고 있었을 것이라고 생각했습니다. 젠가. “

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다시 말해서, 연구자들은 사람들이 제거하기 위해 느슨한 덩어리를 찾는 것과 같은 방식으로 개미들이 제거할 느슨한 곡물을 찾기 위해 토양을 배회한다고 의심했습니다. 젠가 중요한 베어링 부품을 제자리에 남겨 둡니다. 이 블록은 블록(또는 개미집의 경우 입상 토양 입자)을 함께 묶어 안정적인 구조를 만드는 “힘 사슬”로 알려진 것의 일부입니다.

그들의 실험을 위해 Andrade와 그의 동료들은 500ml의 koekret 토양과 20ml의 물을 혼합하고 혼합물을 몇 개의 작은 컵의 토양에 넣었습니다. 컵의 크기는 CT 스캐너 내부에 얼마나 쉽게 맞도록 선택되었습니다. 시행착오를 거쳐(하나의 개미에서 시작하여 점차적으로 그 수를 늘리는) 연구원들은 최적의 굴착 속도를 달성하는 데 필요한 개미의 수를 15마리로 결정했습니다.

팀은 개미가 진행 상황을 모니터링하기 위해 터널을 파는 동안 10분마다 4분 30초를 보냈습니다. 결과 3D 이미지에서 샘플의 각 부분에 대해 “디지털 아바타”를 만들어 각 곡물의 모양, 위치 및 방향을 캡처했습니다. 이 모든 것이 토양 샘플의 힘 분포에 큰 영향을 줄 수 있습니다. 연구원들은 또한 시간에 따라 다른 상태에서 촬영된 이미지를 비교하여 개미가 각 구슬을 제거한 순서를 알 수 있었습니다.

개미 터널 전(왼쪽)과 후(오른쪽) 토양의 동일한 위치에서 입상력(검은색 선).
/ 개미 터널 전(왼쪽)과 후(오른쪽) 토양의 동일한 위치에서 입상력(검은색 선).

Jose E. Andrade 및 David R. Miller / Caltech

개미들은 진지하게 터널을 파는데 있어 항상 협조적이지는 않았습니다. ‘그들은 일종의 모방이다’ 안드라데가 말했다. “그들은 원할 때마다 땅을 파죠. 우리는 이 개미들을 컨테이너에 넣고 일부는 즉시 파기 시작하여 놀라운 진전을 이뤘습니다. 그러나 일부는 몇 시간이 걸리고 전혀 파지 않을 것입니다. 일부는 잠시 멈추고 쉬십시오.”

Andrade와 Parker는 분석에서 몇 가지 새로운 패턴에 주목했습니다. 예를 들어, 개미는 일반적으로 컵의 안쪽 가장자리를 따라 굴을 파고 있습니다. 컵의 측면이 터널 구조의 일부가 될 수 있으므로 효과적인 전략으로 개미의 노력을 약간 절약할 수 있습니다. 개미들은 또한 효율성을 향상시키는 기술인 터널의 직선을 선호했습니다. 개미들은 가능한 한 열심히 터널을 파는 경향이 있었습니다. 가능한 한 토양과 같은 입상 매체에서 “휴식 각도”라고합니다. 그 각도를 초과하면 구조가 무너집니다. 어떻게든 개미는 이 임계 임계값을 감지하여 터널이 정지 각도를 초과하지 않도록 할 수 있습니다.

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기본 물리학에서 연구팀은 개미가 터널을 파기 위해 흙 알갱이를 제거할 때 구조에 작용하는 힘 사슬이 무작위 분포에서 재배열되어 외부 터널 주위에 일종의 라이너를 형성한다는 것을 발견했습니다. 이러한 힘의 재분배는 기존 터널 벽을 강화하고 곡물이 터널 끝에 가하는 압력을 완화하여 개미가 터널을 더 확장하기 위해 곡물을 제거하기 쉽게 만듭니다.

“개미가 수십 년 된 구조를 만드는 방법은 공학 및 개미 생태학 모두에서 미스터리였습니다.”라고 그는 말했습니다. 파커가 말했다. “우리가 관찰한 이 패턴의 곡물을 제거함으로써 개미가 땅을 파고 들어갈 때 이러한 해양력 사슬을 이용하고 있는 것으로 밝혀졌습니다.” 개미는 개미를 눌러 기계적인 힘을 평가합니다.

Parker는 이것이 일종의 행동 알고리즘이라고 생각합니다. 그 알고리즘은 단일 개미 내부에 존재하지 않습니다. 그는 말했다. “초유기체처럼 행동하는 이 모든 일개미의 초기 식민지 행동입니다. 이 행동 프로그램이 이 모든 개미의 미세 뇌를 통해 퍼지는 방식은 우리가 설명할 수 없는 자연 세계의 경이로움 중 하나입니다.”

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

캘리포니아 공과대학 제공.

Beom Soojin

"음악 팬. 매우 겸손한 탐험가. 분석가. 여행 괴짜. 익스트림 TV 전문가. 게이머."

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