هذه هي النحل الصحيح: التكيف الميكانيكي مع التأثيرات الديناميكية

يهدف تطوير الشبكات العصبية الاصطناعية إلى إعادة تكوين نوع من الدماغ الاصطناعي. ترتبط جميع الخلايا العصبية ببعضها البعض ، وتنقل الإشارات إلى بعضها البعض وتعتمد على بعضها البعض. وكلما زاد عدد المواقع ، زادت تعقيدها وتطورها. اليوم سنهتم ليس بالشبكات الاصطناعية ، ولكن بالشبكات التي يمكننا ملاحظتها في الطبيعة ، لأن الكثير من التكنولوجيا البشرية مستعارة بدقة من هناك. ولكن ما الذي يمكن مقارنته بدماغ الإنسان أو بشبكة عصبية اصطناعية؟ الجواب غير قياسي - سرب من النحل. بشكل منفصل ، النحل ليس مثيرًا للاهتمام للعلماء كما هو الحال في السرب. نعلم جميعًا كيف يعمل السرب بسلاسة وفعالية لصالح الخلية. تقوم كل نحلة بمهمة محددة ، لا تزعج الآخرين ، ولكنها تكمل نفسها بالآلية العامة للخلية ، والتي تعمل بدون توقف. اليوم سوف نفهم دراسة غير عادية ، نحاول شرح كيف يتعامل سرب النحل مع مخاطر البيئة الخارجية وكيف يتفاعل الأفراد في مثل هذه المواقف. ما الخطر الذي تمثله النحلة على الفقراء ، وكيف تعاملوا معها ، وماذا يعني ذلك للإنسان والعلم؟ سنبحث عن إجابات في التقرير. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

للوهلة الأولى ، تبدو مثل هذه الدراسة غبية بعض الشيء ، لأنه في الجوهر هو الجواب على السؤال "ماذا سيحدث إذا قمت بتحريك عصا في الخلية؟". حسنًا ، أولاً ، هذا لا يستحق القيام به ، لأن النحل مخلوقات حساسة جدًا (ولسع). ثانيًا ، أي مخلوق حي ، مثل أي جهاز ، يعمل وفقًا لخوارزمية معينة. في حالة النحل ، هذه الخوارزمية شائعة في السرب كله. من وجهة نظر الرياضيات والبرمجة وحتى الميكانيكا ، فإن النحل مثير للاهتمام للغاية. لذلك ، لن نضخم شكوكنا ونترك الفضول يسود.


النحلة في الحركة

كانت الشخصيات الرئيسية في الدراسة هي نحل Apis mellifera (أو ببساطة "نحل العسل الأوروبي") ، والتي تخلق خلايا نحل تتدلى من أغصان الأشجار وتتكون في الغالب من النحل نفسه. بصراحة ، البناء مشكوك فيه نظرًا لتغيرات الطقس والأعداء الطبيعيين وما إلى ذلك. ومع ذلك ، يمكن أن تعيش خلايا النحل بنجاح كبير لفترة طويلة. السؤال الذي يطرح نفسه - كيف؟ الجواب يكمن في الجماعية. يستشهد الباحثون كمثال على بعض أنواع النمل التي تلتصق ببعضها البعض ، مما يخلق أطوافًا للتحرك على طول سطح الماء. أنواع الكائنات الحية مثل النحل والنمل الأبيض أو النمل هي كائنات فائقة ، أي كائنات تتكون من العديد من الكائنات الحية. هذا مشابه لأجزاء ليغو: جزء واحد لا شيء ، ولكن قم بتوصيلها في مجموعة وستحصل على نجمة موت لـ 3803 جزء.

ومع ذلك ، في مثل هذه النظم البيولوجية ، لا يعمل مبدأ "كلما كان ذلك أفضل" ، لأن الزيادة السكانية في الظروف المعاكسة يمكن أن تؤدي إلى الفوضى ، ونتيجة لذلك ، وفاة المستعمرة بأكملها. يقوم نحل العسل بتوسيع مستعمرته عن طريق الاستعمار الحرفي لأشجار الأشجار المجاورة. تنتقل مجموعة من النحل بقيادة ملكة من خلية الأم إلى مكان جديد حيث يشكلون خلية تابعة يمكن أن يصل عددها إلى 10000 فرد. في الخلية القديمة ، ظهرت ملكة جديدة. يوضح لنا هذا مرة أخرى مدى سلاسة الخلية كنظام للعديد من وحدات العمل.

دعونا نعود إلى نحل العسل المحول. يقول العلماء أن الكثير معروف عن كيفية تشكيل مثل هذه الخلايا غير المعتادة أثناء الانتقال ، ولكن لا يُعرف سوى القليل عن استقرار هذه "المباني" فيما يتعلق بالتأثيرات الديناميكية.


الصورة رقم 1

تظهر الصور 1 أ اختلافات في شكل عنقود النحل (خلية النحل) أثناء السرب (إنشاء مستعمرة جديدة) ، والتي عادة ما تبدو مثل مخروط مقلوب ( 1 ب ).

التغيرات في درجات الحرارة لهذه النحل ليست مشكلة. ينظمون كثافة السرب ومساحته من أجل الحفاظ على درجة حرارة مستقرة في مركزه ، حيث تعيش الملكة. إذا ارتفعت درجة الحرارة المحيطة ، على سبيل المثال في الصيف ، يتمدد السرب ، مشكلاً بعض الأخاديد التي تعزز دوران الهواء. في حالة المطر ، يشكل النحل الموجود خارج الكتلة "درعًا" ، حيث يتم تصريف الرطوبة ببساطة.

إن قدرات النحل هذه معروفة ، ولكن ليس من الواضح تمامًا كيف تحافظ على استقرار الكتلة في حالة التعرض الديناميكي. يمكن أن يتسبب تدمير الكتلة في وفاة السرب بأكمله تقريبًا. هذا ما سيبحث عنه العلماء.

التحضير للتجربة

للتجربة ، تم تحضير غرفة على اللوح أسفل السقف الذي تم وضع الملكة فيه. تم إطلاق النحل في الغرفة وبدأ في تشكيل مجموعة ، وتظهر العملية في الصور 1 ج .

يتم توصيل محرك صغير باللوحة ، قادر على تحريكه أفقيًا وعموديًا بترددات مختلفة (من 0.5 إلى 5 هرتز) وتسارع مختلف للجاذبية (من 0 إلى 0.1 جم).


مظهر الإعداد للتجربة: أ - الحركات الأفقية ، ب - عمودي.


التأثير الميكانيكي على الخلية: أ - الهزة المستمرة للكتلة عندما يكون التردد مستقرًا ويتغير التسارع ؛ ب - هزة متقطعة للكتلة ، عندما يكون التسارع مستقرًا ، ويتغير التردد ؛ ج - ارتجاج واحد.

عند تشغيل وضع الاهتزاز الأفقي ، تبدأ المجموعة في التأرجح مثل البندول ، بتردد حوالي 1 هرتز. ولكن بعد بضع دقائق ، يتكيف النحل مع الوضع الديناميكي ويغير شكل الكتلة إلى شكل أكثر استواءًا ، بينما يظل عدد الأفراد كما هو قبل الاختبار.


مجموعة اهتزاز أفقية: تشكيل الشكل

عند الانتهاء من الاختبار ، يستعيد النحل الشكل الأولي للكتلة في غضون 30-120 دقيقة. وتجدر الإشارة إلى أن عملية الاسترداد تستغرق وقتًا أطول بكثير من عملية تشكيل نموذج "الطوارئ".

أظهر تحليل بيانات الارتجاج المستمر والمتقطع أن التفاعل مع الثابت يحدث قبل ذلك بكثير. مع النحل المتقطع يبدأ في إعادة بناء الكتلة فقط بعد بضع صدمات.


الصورة رقم 2

الرسم البياني 2 أ هو مؤشر للتغير في منطقة العنقود بناءً على دالة الزمن (A (t) / A (0) ، حيث A (t) هي المنطقة بعد الاختبار ، A (0) قبل الاختبار). تتوافق ألوان الخطوط مع ترددات مختلفة للصدمات الدورية.

يوضح الرسم البياني المجاور ( 2 ب ) التغييرات حتى مع ارتجاج مستمر للكتلة. هنا نلاحظ أنه عند التسارع المنخفض للغاية (بترتيب 0.01 جم) ، لا تتفاعل الكتلة بأي شكل من الأشكال ، مما يؤدي إلى أفكار حول وجود عتبة نشاط معين. إذا لم تصل الديناميكيات إلى هذه العتبة ، فإن النحل لا يعتبرها خطرًا ولا يبدأ في إعادة بناء الكتلة في شكل أكثر استقرارًا. 2 ج هو نظام الإحداثيات للمجموعة والأفراد.

قام الباحثون بحساب صيغة تساعد رياضيًا على تمثيل عملية حركة كل نحلة أثناء التأثير الديناميكي على الخلية. يعد ذلك ضروريًا لفهم الاختلاف في استجابة العنقود للصدمات المستمرة وغير المستمرة ( 2 د ).

بعد تحليل مسارات النحل ، لاحظ العلماء أن الإزاحة النسبية بين النحل في أعلى الكتلة والنحل في القاعدة تكون أكبر بكثير في الحالة عندما تكون ممدودة ، أي قبل الاختبار. أكد المسح أن التكيف الميكانيكي للسرب يجعل من الممكن تسوية التشوهات المحلية للكتلة (التشوه الطبيعي والتشريد) أثناء الانتقال إلى حالة مسطحة ، أي أثناء الاختبار وبعده.

في لحظة الهزات ، يبدأ النحل في الانتقال إلى قاعدة الخلية ، والتي تم تحديدها من خلال تتبع الأفراد الأفراد ( 2 هـ ).


حركة الأفراد إلى قاعدة الكتلة.

تؤكد هذه الملاحظة سبب هذا السلوك - الشعور بالتشوه. بتعبير أدق ، تشعر النحلة بوجود فجوة بينها وبين الفرد المجاور ، وهو أمر لا ينبغي أن يكون. هذا يدفعها للانتقال إلى القاعدة من أجل تقوية الخلية. لماذا القاعدة؟ يمكن تمثيل كتلة النحل في شكل مخطط (2f) ، حيث تكون المناطق الحمراء الفاتحة هي المناطق ذات الحمل الأعلى ، والمناطق الداكنة الأصغر. النحل يعرف في أي جزء من الخلية يكون الحمل على هيكله هو الأكبر ، لذلك تحتاج إلى الانتقال إلى هناك لتقوية هذه المنطقة.

بعد فهم مبدأ سلوك النحل الموصوف أعلاه ، يطرح العلماء سؤالًا جديدًا - ما الذي يجب أن يكون الإزاحة النسبية لكي تستجيب النحلة؟



بادئ ذي بدء ، يتذكر الباحثون أن الخصائص الديناميكية الرئيسية للمخروط المرن المعلق تشبه البندول عند الانتقال من جانب إلى آخر ، وعند التحرك لأسفل وأعلى مع الربيع.

تُظهر الصورة أعلاه نموذجًا عنقودًا يتم فيه تمثيل كل نحلة على حدة كجسم كروي ، يتأثر بثلاث قوى: قوة الجاذبية ، وقوة الجذب بين الأجسام المجاورة والقوة لمنع اختراق جسم إلى آخر.

كشف النموذج الرياضي عن حقيقة مثيرة للاهتمام - السعة القصوى للأحمال المحلية تزداد عندما تصبح الكتلة ممدودة. وبالتالي ، فإن هذه الأحمال هي بمثابة إشارة للنحل.


شرح إزاحة الكتلة أثناء محاكاة الكمبيوتر .


الصورة رقم 3: نموذج الكمبيوتر.

كما يتبين من المحاكاة 3 أ ، فإن التشوه الطبيعي (يجب أن يساوي 0) أثناء التذبذبات الأفقية يزداد بدقة عند القاعدة. يظهر شكل 3b تغيرات القص أثناء التذبذب الأفقي. نرى هنا أن هذا النوع من التشوه ليس مهمًا جدًا. يوضح الرسم البياني 3 ج التغيرات في التشوه الطبيعي والقص في سياق إزاحة الخلية من موقعها الأصلي.

كل مجال في نموذج الكمبيوتر الرياضي هو نحلة منفصلة ، كما ذكرنا سابقًا. قام بتطبيق قاعدة سلوكية - للانتقال إلى المناطق حيث يبدأ الحمل في الزيادة فوق المستوى الحرج. ونتيجة لذلك ، أظهر النموذج ما يمكن ملاحظته مع النحل ( 3D ). توضح الرسوم البيانية على 3e كيف تغيرت منطقة الخلية في القاعدة ونسبة النحل التي تحركت نحوها (يتوافق مع الرسم البياني 2e).


الصورة رقم 4: الاهتزازات العمودية.

خلال تجربة التمايل الرأسي للخلية ، لم يكن التسارع أكثر من 0.05 جم. ونتيجة لذلك ، كانت التحيزات الملحوظة ضئيلة للغاية. يمكن رؤية ذلك في الصور الموجودة على 4 أ ، حيث لم يتغير شكل الخلية لمدة 30 دقيقة.

ومع ذلك ، مع زيادة تسارع الجاذبية إلى 0.1 جم ، انهارت الكتلة. خلاصة القول هي أنه خلال مثل هذه التقلبات ، لا يتغير الحمل عند قاعدة الخلية بما يكفي لاستفزاز النحل للتحرك. يُظهر الفيديو أدناه أن شكل الكتلة يبقى دون تغيير تقريبًا أثناء الاهتزاز. وعندما يتم الوصول إلى المستوى الحرج من التسارع ، تنهار الخلية ببساطة. أحد العوامل التي تؤثر على النحل هو الوقت الذي لم يكن لديهم فيه ما يكفي للتفاعل مع مستوى الحمل الحرج بالفعل في الخلية.


تدمير الكتلة أثناء الاختبار مع اهتزازات رأسية.

نتائج الباحثين

بغض النظر عن التردد أو التسارع ، فإن النحل يغير شكل الكتلة ، مما يجعلها أكثر استقرارًا. يبدو هذا عملًا منسقًا للغاية ، لكن الفرق لا تستقبل النحل من مصدر واحد ، ولكنها تتصرف بشكل مستقل تمامًا ، وإن كان بطريقة واحدة. المحرك الرئيسي لأفعالهم هو القدرة على الشعور بالتشوهات المحلية لهيكل الخلية. عندما تصل هذه التشوهات إلى مستوى حرج ، فإن النحل يقوي الكتلة. هذا ما يؤكده اختبار بصدمات مستمرة ومتقطعة. وحقيقة أن النحل لن يتفاعل بأي شكل من الأشكال مع التقلبات مع تسارع أقل من 0.01 جم.

إذا اهتزت الكتلة عموديا ، تنشأ حالة مختلفة. لن يستجيب النحل للتشوهات ، لأن الحمل في القاعدة لن يتجاوز القاعدة المسموح بها.

وعلى الرغم من ذلك ، كان الباحثون راضين عن نتائج عملهم. ساعد عملهم على فهم مبدأ التكيف الميكانيكي. وفقا لهم ، فإن الأجهزة التي أنشأها الإنسان أقل شأنا من النحل في هذه المسألة. أولاً ، تستجيب النحلة ، كجزء منفصل من الآلية (الخلية) ، للتهديد من تلقاء نفسها ، دون الحاجة إلى أوامر من "المركز". ونتيجة لذلك ، يبدأ جميع النحل في وقت واحد في إعادة بناء الخلية بحيث يمكنها تحمل التأثير المدمر للعوامل الخارجية. إن تنفيذ مثل هذا السلوك مثل الخوارزمية في الأنظمة التي أنشأها الإنسان من شأنه أن يبسط إلى حد كبير الصراع مع الطبيعة ، والتي تظهر في كثير من الأحيان شخصيتها ، وتدمير المباني والمعدات.

تفاصيل الدراسة متاحة في تقرير العلماء وفي مواد إضافية إليه.

الخاتمة

ليس هناك ما يثير الدهشة في إيجاد الإلهام أو الأفكار للتكنولوجيا الحديثة في الطبيعة. بدأت العديد من الاختراعات ، بطريقة أو بأخرى ، بالسؤال "كيفية تكرار ما تحتويه الطبيعة من الحشرات والأسماك والطيور ، وما إلى ذلك". هذا المسار معقد وطويل. ذات مرة ، بالنظر إلى السماء ، أراد رجل أن يطير مثل طائر ، وأنشأ أجنحة. صحيح أن المحاولات الأولى انتهت للأسف لهؤلاء المتحمسين. لكن انظروا إلى ما لدينا الآن - طائرات ضخمة تحمل مئات الأشخاص في وقت واحد عبر المحيطات. ولكن تم إخبار الحالم الأول للطيران أيضًا أن أفكاره كانت هراء. لذلك ، حتى دراسة تكيف النحل مع التأثيرات الديناميكية ، بغض النظر عن مدى غرابة الأمر ، سيجد تطبيقه العملي في تقنيات المستقبل عاجلاً أم آجلاً. ربما هذه الدراسة ، بالتزامن مع تقنية النانو ، ستخلق مادة يمكن أن تتراكم أثناء الزلازل. من يدري. على أي حال ، فإن الفضول الصحي والرغبة في فهم كيفية عمل العالم من حولك أمر رائع.

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على نظير فريد من خوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجابايت DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps حتى ديسمبر مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك الطلب هنا .

ديل R730xd أرخص مرتين؟ فقط لدينا 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الطبقة باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟