Los feropodos no ayudarán: la investigación y el modelado matemático de trampas para larvas de hormigas león

El investigador, hipnotizado por la grandeza y la belleza del mundo fuera de su ciudad, desea el destino en lugares donde nunca antes había estado. Herido y exhausto, busca su camino a casa, encontrándose en su camino con transeúntes desalmados y desinteresados, listo para mirar con reverencia la muerte de otro. No está listo para soportar tal injusticia social, interviene y salva a una criatura desconocida de las voraces mandíbulas de un monstruo terrible. Esta criatura es pequeña, pero con un gran corazón, le ofrece su ayuda en respuesta a la salvación. Y el monstruo glotón, irónicamente, se convierte en la presa de una criatura aún más grande, ante la cual todos tiemblan sin excepción.

Parece el comienzo de una película de aventuras de Hollywood, pero de hecho es Ant's Journey (1983), una maravillosa caricatura que durante mucho tiempo se ha desarmado entre comillas. La hormiga rescata al moco ("¡Escuché del moco!") De una trampa hecha por una criatura muy ocupada: el león hormiga. Y hoy hablaremos específicamente sobre ellos, y más precisamente sobre cómo los biólogos, en colaboración con los físicos, realizaron un estudio de la estructura de las trampas para hormigas león. ¿Por qué tales trampas no pueden llamarse fosas simples, como las hacen las larvas de leones de hormigas, y cuáles son los parámetros exactos de estos edificios mortales? Encontraremos las respuestas más interesantes a estas y otras preguntas en el informe de los científicos. Vamos

Herramientas, arquitectura y pozos de muerte.

Los científicos que deciden realizar este estudio argumentan que el uso de herramientas de animales está sobrevalorado. Y esta declaración no se puede llamar irrazonable. Por ejemplo, los chimpancés usan herramientas para la extracción de alimentos en solo el 1% de los casos. Los edificios que utilizan varias criaturas de forma continua, incluidos los nidos y las trampas para atrapar presas, merecen mucha más atención.


Hacer trampas web es difícil, pero común, pero los puentes de seda a través de los ríos son un nivel de habilidad completamente diferente.

Construir trampas no es la habilidad más popular entre los habitantes de nuestro planeta. Entre los vertebrados, solo los humanos poseen esta habilidad. Y entre los invertebrados, las arañas y sus redes son las primeras en recordar, cuya complejidad, variedad y precisión matemática son sorprendentes. Por supuesto, nuestros amigos de ocho patas no son los únicos que usan la seda producida por sus propios cuerpos como materiales de construcción. Además de 10,000 especies de arañas, 2000 larvas de especies de caddis también usan seda, así como larvas de 4 especies de Arachnocampa del género de los mosquitos hongos.

Pero la construcción de trampas sin el uso de seda es común solo entre varios cientos de especies de hormigas y un pequeño número de especies de gusanos. Uno de estos constructores es la hormiga larva del león.


Un león hormiga adulto jugando mirones con un fotógrafo.

La hormiga león no es una quimera mítica o una creación de un escritor de ciencia ficción, es una familia de insectos que se parecen mucho a las libélulas. Pero recibieron su nombre no estándar para la apariencia y los hábitos de las larvas.


Cara "linda" de una larva de hormiga león.

Las larvas de los leones hormiga vienen en dos formas, dependiendo de su comportamiento. Algunos viven en la arena y persiguen a sus presas, por así decirlo cazan de una manera clásica. Otros, que poseen paciencia y habilidades arquitectónicas, construyen hoyos en la arena de hasta 5 cm de profundidad y aproximadamente 8 cm de diámetro. La larva está enterrada en el centro de su trampa, dejando solo sus mandíbulas masivas y muy fuertes en la superficie. La víctima, generalmente una hormiga, que tiene la imprudencia de pisar el borde de la fosa, comienza a deslizarse hacia su inevitable muerte. Al agarrar a la presa, la hormiga larva del león inyecta enzimas digestivas en su cuerpo y literalmente bebe a la víctima, arrojando su devastado exoesqueleto de quitina fuera de la trampa.


La larva de una hormiga león.

Si la presa resultó dolorosamente rápida y enérgica e intenta salir de la trampa, la larva comienza a arrojarle granos de arena, que pueden derribar a la víctima. Del mismo modo, literalmente trabajando sus cabezas, las larvas de hormiga león construyen sus trampas. Y fue el proceso de construcción lo que interesó a los científicos. La arena es muy heterogénea y consiste en granos de arena (granos) de diferentes tamaños y, en consecuencia, peso (como los copos de nieve, por ejemplo). Las larvas de leones hormiga se forman en espiral, clasificando los granos de arena en un orden específico. Cómo y por qué: estas son preguntas a las que los científicos han decidido encontrar respuestas.

Base de estudio

Los científicos decidieron realizar observaciones en condiciones controladas utilizando granos de arena de tres tamaños específicos y un anillo de papel, necesarios para determinar el tamaño de las partículas expulsadas, el diámetro de la trampa y otras mediciones.


Imagen No. 1: - la apariencia de la trampa de la larva de hormiga león (foto tomada en la isla Guernsey); b - imagen del radio de expulsión de granos, dependiendo de su tamaño y peso; c - imagen bidimensional de la trayectoria en espiral de la construcción de la trampa de fosa: d - instantánea del borde de la trampa de fosa del experimento (podemos ver una separación / clasificación clara de gránulos); e es un modelo de trampa trampa que tiene en cuenta la regla de Hele-Shaw.

Los sujetos experimentales fueron 16 larvas de leones hormiga de la especie Euroleon nostras, que fueron tomadas de la naturaleza (sureste de Guernsey). Los científicos observan una observación sorprendente: los pozos de estas larvas se ubicaron debajo de los setos, es decir. en arbustos, y no en espacios arenosos abiertos, como suele ser el caso. Este es probablemente un intento de usar arbustos como protección contra la lluvia. Además, los científicos notaron que las larvas construían trampas exclusivamente en lugares donde había un mínimo de escombros (hojas caídas, ramas, etc.). Estas observaciones por sí solas son suficientes para llegar a una conclusión preliminar sobre la elección no aleatoria del sitio de construcción del pozo trampa.

Los investigadores prepararon una mezcla de arena de prueba de arena de plata seca natural de las playas de Guernsey, granos de sílice negra (1-2 mm, un promedio de 0.0078 g) y granos de sílice azul (1.5-3 mm, un promedio de 0.028 g). Se utilizaron macetas con una altura de 14 cm y una profundidad de 12 cm como sitios de construcción. Cada uno de los componentes del edificio se colocó en una maceta en un cierto orden: se basó en una capa de arena natural de 7 cm, luego en el medio de la maceta (2,5 cm desde el borde superior) una capa de uno de 4 mezclas de 20-30% de granos grandes (sílice negra o azul) y 80-70% de arena natural. Desde arriba, todo estaba cubierto con un anillo de papel, necesario para las mediciones, con un diámetro de 12,6 cm (agujero - 4 cm).

Todas las larvas se colocaron en el centro de las macetas. La mayoría de las larvas comenzaron a construirse durante la primera hora de observación. Y después de aproximadamente dos días, cada una de las larvas se construyó una trampa de pozo con un diámetro de 12 a 23 mm. Los científicos recolectaron todos los granos que las larvas arrojaron durante la construcción (estaban en un anillo de papel) y tamizaron para clasificarlos. La ubicación de los granos de colores desechados en un anillo de papel se observó manualmente mediante fotografías. Los científicos no querían usar métodos automatizados para obtener resultados más precisos.

Resultados de observación

Imagen No. 2: resultados de observación de laboratorio.

Como se puede ver en el gráfico 2a, las larvas prefirieron deshacerse de los granos más grandes. Las partículas de sílice azul y negra fueron arrojadas 1.3 veces más de lo que estaban en la mezcla. Los científicos también notaron que con un aumento en el tamaño del pozo, la cantidad de granos grandes en sus paredes disminuyó ( 2c y 2d ). Tal observación puede deberse al hecho de que los pozos pequeños no pueden contribuir a una estratificación suficiente. Es decir, la convergencia de gránulos (como una avalancha) cuando una víctima ingresa a un pozo es mucho más probable con un mayor volumen del pozo en sí. Además de esto, los granos más pequeños son un factor concomitante, ya que tienen un ángulo de reposo más pequeño, por lo que es más probable que se deslice.

En pocas palabras, los granos pequeños son importantes para las larvas de hormigas león, porque a su costa, la presa probablemente se deslizará a picaduras de hambre y no saldrá con las palabras "fuh, transmitido". Resulta que las larvas construyen pozos no sin pensar, sino que clasifican de manera consciente los materiales de construcción, asegurando la máxima eficiencia de la construcción futura.

Las observaciones son observaciones, pero para una comprensión completa de la arquitectura de las trampas para hormigas león, los científicos decidieron ver cómo sería el modelo computacional de este edificio.

Modelado de excavación en espiral

En primer lugar, los científicos señalan que las larvas de los leones hormiga no construyen sus trampas como lo hacen otros "cavadores". El proceso de excavación ocurre en espiral, y no verticalmente. Y el modelado matemático puede revelar los secretos de este proceso.

Al crear el modelo, se utilizó el trabajo previo sobre autoorganización en medios granulares. Los científicos consideraron una mezcla de gránulos pequeños y grandes (granos) como una red unidimensional con nodos i = 1,2, ..., L, que representa una sección transversal de un pozo experimental real. Las partículas pequeñas en volumen y altura son 1, y las partículas grandes son 2. Por lo tanto, la altura en el nodo i, hi se calcula a partir de la suma de partículas pequeñas y grandes en el nodo, donde las pendientes locales en cada lado son iguales a z _i ^Izquierda = h _i - h _{i -1} y z _i ^Derecha = h _i - h _{i + 1} .

Un deslizamiento de tierra ocurrirá solo si el promedio aritmético de los gránulos de la pendiente local excede la marca crítica. También es obvio que los granos grandes serán más estables con una pendiente más pronunciada que los pequeños. A su vez, los granos pequeños ubicados en los grandes son más estables que los grandes en los pequeños. Esta condición es necesaria para tener en cuenta la estratificación en el modelo matemático.

Un grano puede rodar hacia la izquierda / derecha si la pendiente local en la dirección correspondiente excede la marca crítica, z _i ^c . Si z _i ^Izquierda y z _i ^Derecha exceden el valor crítico, el gránulo rodará en la dirección de la pendiente más empinada o en una dirección aleatoria si z _i ^Izquierda = z _i ^Derecha ﹥ z _i ^c .

La determinación de la potencia (tamaño) de un deslizamiento de tierra es el número total de caídas de pellets en el pozo durante un cierto período de tiempo ( t ). En cuanto al peso, está determinado por el tamaño de los gránulos: los grandes contribuyen 2 al indicador total y los pequeños: 1. Por lo tanto, se tienen en cuenta todos los gránulos que participan en el deslizamiento de tierra: los iniciales y los que fueron capturados por la corriente durante el movimiento.


Imagen No. 3: el resultado del modelo espiral en t = 700 y el radio inicial r = 25. Los granos pequeños están marcados en azul, los granos grandes en rojo y una mezcla de ambos en blanco, dado que los granos grandes no son más del 25%.

En el estado inicial, los modelos de partículas se agregan aleatoriamente en tamaño mientras que h _i = H o H + 1, dada la condición de que el 25% del número total de partículas es precisamente grande. Las dimensiones de la "ventana de extracción / expulsión" se establecieron en 5x5 (ancho a profundidad) de acuerdo con el hecho de que los leones hormiga se arrojan en cada paso del proceso de cavar un agujero. Esta "ventana" se centró en un nodo específico de la red, que se puede desplazar de acuerdo con la trayectoria en espiral de la excavación. El programa puede arrojar granos tantos como se desee hasta que se alcance un estado estable de las paredes de la trampa de pozo simulada.

Los científicos, utilizando la aproximación de Stokes y la segunda ley de Newton, derivaron una fórmula para la trayectoria de las partículas expulsadas:



v _x y v _y son los componentes horizontal y vertical de la velocidad de la partícula;
g es aceleración gravitacional;
⍺ = g / v _T es el coeficiente de resistencia de la forma, donde v _T es la velocidad de partícula final: 150 cm / s para partículas pequeñas y 1000 cm / s para grandes.

La velocidad inicial con la que se expulsan las partículas es la siguiente: v ₀ = (70 + δv) cm / s. Y la dirección del lanzamiento: θ ₀ = (50 + δθ) °.

El radio inicial del pozo ( r ) es 25. El modelo lleva a cabo el proceso de excavación en cada nodo 4 veces, lo que garantiza la gran facilidad de eliminación de la mayoría de los granos. La espiral alcanza el centro después de 8r pasos, y la terminación del pozo ocurre cuando el número de granos grandes en la "ventana de eliminación" cae por debajo de un nivel crítico.

Para comprender la efectividad del método en espiral para formar trampas de pozo, los científicos compararon el modelo anterior con tres modelos con excavación centralizada: un modelo sin redistribución de granos (simplemente se eliminan en el proceso), un modelo sin resistencia de granos (las trayectorias de los granos pequeños y grandes son las mismas en este caso), el modelo con considerando resistencia.

Resultados de la simulación

Imagen No. 4: resultados de la simulación.

El primer indicador para comparar en modelos y observación real es la cantidad de granos grandes eliminados. En el modelo en espiral de partículas grandes al finalizar la excavación, se volvió 1,4 veces más pequeño que en la mezcla original. Cabe señalar que los modelos centralizados con / sin resistencia mostraron una disminución de solo 1.05 veces. En consecuencia, los resultados de un modelo en espiral se correlacionan con observaciones reales, lo que confirma los cálculos de la proporcionalidad de los granos grandes y pequeños en la construcción de trampas de pozo.

El radio del pozo simulado fue de 30 unidades, que, cuando se tiene en cuenta la escala, es casi idéntico a los resultados de las larvas observadas en un experimento de laboratorio: 18 mm. Vale la pena señalar los radios promedio observados en los que la eliminación de granos grandes se acelera en gran medida para lograr un radio mayor del pozo (salto en el gráfico 4c ).

Al finalizar la construcción, las paredes de las trampas de las larvas están casi completamente cubiertas de pequeños granos. Esto se observó en todos los modelos, pero solo en la espiral este proceso fue más rápido.


Una tabla que compara el rendimiento de varios modelos descritos anteriormente. Como vemos, las versiones espirales de los modelos fueron las más efectivas.

La relación entre el radio inicial (r ≈18), para el cual se minimiza el tiempo de finalización (fuerte disminución en el gráfico 4d ), y el radio del pozo final predicho por el modelo es 0.60.

Si hablamos del costo del tiempo, entonces aquí el método espiral de excavación es mejor que otros. Con un radio inicial de 25 para el modelo en espiral, tardó la mitad del tiempo en completar el pozo que otros modelos. Una comparación de los datos mostró que el modelo en espiral reduce el tiempo para completar los pozos en un 60% con un diámetro finito en el rango de 10 ... 42 unidades, es decir 6-25 mm en realidad, lo que fue confirmado por los resultados de observaciones en un experimento de laboratorio.

Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe del grupo de investigación .

Epílogo

A veces, al observar un insecto, piensas en lo que piensa esta pequeña criatura. ¿Entiende cómo funciona el mundo, es consciente de los procesos físicos que lo rodean, los usa? Es posible que este estudio no responda a la pregunta "¿está consciente?", Pero responde más que afirmativamente a la pregunta "¿está utilizando?".

Cavar un hoyo es fácil, al menos a primera vista. Sin embargo, la trampa de pozo debe ser lo más eficiente posible, porque la vida de la persona que la construyó depende de su éxito. Si las larvas de hormiga león no usaran un modelo en espiral de excavación, si no se clasificaran los granos de arena, entonces no podrían alimentarse tan fácilmente.

Las larvas de los leones hormiga, aunque son terribles depredadores con aguijones grandes, prefieren usar su inteligencia como el arma principal y más efectiva en la lucha por la vida en las duras condiciones de la naturaleza. Es cierto que sin las enormes picaduras y las entrañas disolventes de la víctima, el veneno habría sido más difícil para ellos.




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