لن تساعد Feropods: البحث والنمذجة الرياضية لفخاخ الحفر ليرقات أسد النمل

الباحث ، فتن من عظمة وجمال العالم خارج مدينته ، بإرادة القدر يجد نفسه في أماكن لم يسبق له مثيل من قبل. إنه مصاب بجروح وإرهاق ، وهو يسعى إلى العودة إلى المنزل ، ويلتقي في طريقه بلا مارة ومهتمين ، مستعدًا لمشاهدة وفاة شخص آخر بوقار. ليس مستعدًا لمواجهة مثل هذا الظلم الاجتماعي ، فهو يتدخل ويحفظ مخلوقًا غير معروف من فكي وحش رهيب. هذا المخلوق صغير ، لكن بقلب كبير ، يقدم له المساعدة استجابةً للخلاص. ومن المفارقات أن الوحش الشراعي يصبح فريسة لمخلوق أكبر ، والذي يرتجف أمامه الجميع بلا استثناء.

هذا يبدو وكأنه بداية لبعض أفلام المغامرات في هوليوود ، لكنه في الحقيقة فيلم رحلة النمل (1983) ، وهو رسم كاريكاتوري رائع تم تفكيكه منذ فترة طويلة إلى عروض أسعار. النملة تنقذ booger ("أسمع من booger!") من مصيدة صنعها مخلوق واحد مشغول للغاية - أسد النمل. واليوم سوف نتحدث عنهم بالتحديد ، وبشكل أكثر دقة حول كيفية قيام علماء الأحياء ، بالتعاون مع علماء الفيزياء ، بإجراء دراسة حول بنية مصائد أسد النمل. لماذا لا يمكن أن تسمى هذه الفخاخ الحفر البسيطة ، مثل يرقات أسود النمل التي تصنعها ، وما هي المعايير الدقيقة لهذه المباني القاتلة؟ سوف نجد الإجابات الأكثر إثارة للاهتمام لهذه الأسئلة وغيرها في تقرير العلماء. دعنا نذهب.

الأدوات والهندسة المعمارية وحفر الموت

يجادل العلماء الذين قرروا إجراء هذه الدراسة أن استخدام الأدوات الحيوانية مبالغ فيه بشكل مؤلم. وهذا البيان لا يمكن أن يسمى غير معقول. على سبيل المثال ، يستخدم الشمبانزي أدوات لاستخراج الطعام في 1٪ فقط من الحالات. المباني التي تستخدمها مختلف الكائنات بشكل مستمر ، بما في ذلك الأعشاش والفخاخ لالتقاط الفرائس ، تستحق المزيد من الاهتمام.


يعد إجراء مصائد الويب أمرًا صعبًا ، ولكنه شائع ، لكن الجسور الحريرية عبر الأنهار هي مستوى مختلف تمامًا من المهارة.

بناء الفخاخ ليست أكثر المهارات شعبية بين سكان كوكبنا. بين الفقاريات ، البشر فقط يمتلكون هذه المهارة. وبين اللافقاريات ، تعتبر العناكب وشبكاتها أول من يتبادر إلى الذهن ، فالدقة المعقدة والتنوع والدقة الرياضية مذهلة. بالطبع ، ليس أصدقاؤنا ذوي الأرجل الثمانية هم الوحيدين الذين يستخدمون الحرير الذي تنتجه أجسامهم كمواد بناء. بالإضافة إلى 10000 نوع من العناكب ، يستخدم 2000 يرقات من أنواع كاديس الحرير أيضًا ، بالإضافة إلى يرقات 4 أنواع من أراكنوكامبا من جنس بعوضة الفطر.

لكن بناء الفخاخ دون استخدام الحرير أمر شائع فقط بين عدة مئات من أنواع النمل وعدد قليل من أنواع الديدان. واحد من هؤلاء البنائين هو يرقة أسد النمل.


أسد النمل البالغ يلعب مختلسو النظر مع مصور.

إن أسد النمل ليس مجرد خيال أسطوري أو من بنات أفكار كاتب خيال علمي ، إنه عائلة من الحشرات تشبه إلى حد كبير اليعسوب. لكنهم تلقوا اسمهم غير قياسي لظهور وعادات اليرقات.


وجه "لطيف" ليرقة أسد النمل.

يرقات أسود النمل تأتي في شكلين ، وهذا يتوقف على سلوكهم. البعض يعيش في الرمال ويطارد فريسته ، إذا جاز التعبير ، فإنهم يصطادون بطريقة كلاسيكية. أما الآخرون ، الذين يتمتعون بالصبر والمهارات المعمارية ، فإنهم يبنون حفرًا في الرمال يصل عمقها إلى 5 سم وقطرها حوالي 8 سم ، حيث يتم دفن اليرقة نفسها في وسط فخها ، تاركة فقط فكوكها الهائلة والقوية للغاية على السطح. الضحية ، التي عادة ما تكون نملة ، ولديها الحكمة للوقوف على حافة الحفرة ، تبدأ في الانزلاق حتى موتها المحتوم. الاستيلاء على الفريسة ، حقن يرقات أسد النمل الإنزيمات الهضمية في الجسم ويشرب الضحية حرفيا ، ورمي الهيكل الخارجي الكيتين المدمرة خارج الفخ.


يرقة أسد النمل.

إذا تبين أن الفريسة كانت سريعة ومفعمة بالنشاط وتحاول الخروج من الفخ ، تبدأ اليرقة في رمي حبيبات الرمل عليها ، والتي يمكن أن تسقط الضحية. بنفس الطريقة ، تعمل حرفيا رؤوسهم ، تقوم يرقات أسد النمل ببناء مصائدها. وكانت عملية البناء التي المهتمين العلماء. الرمال غير متجانسة للغاية وتتكون من حبيبات رملية (حبيبات) بأحجام مختلفة ، وبناءً على ذلك ، الوزن (مثل الثلج ، على سبيل المثال). يرقات أسد النمل تبني دوامة لفرز حبيبات الرمل بترتيب معين. كيف ولماذا - هذه أسئلة قرر العلماء إيجاد إجابات عليها.

أساس الدراسة

قرر العلماء إجراء عمليات مراقبة في ظل ظروف خاضعة للرقابة باستخدام حبيبات رملية من ثلاثة أحجام محددة وخاتم ورقي ، ضروري لتحديد حجم الحبوب المقذوفة وقطر المصيدة وغيرها من القياسات.


الصورة رقم 1: - ظهور حفرة فخ يرقة أسد النمل (الصورة مأخوذة في جزيرة غيرنسي) ؛ ب - صورة نصف قطر طرد الحبوب ، حسب حجمها ووزنها ؛ ج - صورة ثنائية الأبعاد للمسار الحلزوني لبناء مصيدة الحفرة: د - لقطة لحافة مصيدة الحفرة من التجربة (يمكننا أن نرى فصل / فرز واضح للحبيبات) ؛ e هو نموذج حفر فخ يأخذ في الاعتبار قاعدة Hele-Shaw.

وكانت الموضوعات التجريبية 16 يرقات من الأسود النمل من أنواع نخرات Euroleon ، والتي اتخذت من البرية (جنوب شرق غيرنسي). يلاحظ العلماء ملاحظة مدهشة: كانت حفر هذه اليرقات تقع تحت التحوط ، أي في الشجيرات ، وليس في الأماكن الرملية المفتوحة ، كما هو الحال عادة. ربما تكون هذه محاولة لاستخدام الشجيرات كحماية ضد المطر. بالإضافة إلى ذلك ، لاحظ العلماء أن اليرقات بنيت في الفخاخ على وجه الحصر في الأماكن التي كان هناك حد أدنى من الحطام (الأوراق المتساقطة ، والفروع ، وغيرها). هذه الملاحظات وحدها تكفي للتوصل إلى استنتاج أولي حول الاختيار غير العشوائي لموقع بناء الحفرة.

قام الباحثون بإعداد مزيج رمل اختبار من الرمال الفضية الجافة الطبيعية من شواطئ غيرنسي وحبوب السيليكا السوداء (1-2 مم ، بمعدل 0.0078 جم) وحبوب السيليكا الزرقاء (1.5-3 مم ، بمتوسط ​​0.028 جم). تم استخدام أواني الزهور التي يبلغ ارتفاعها 14 سم وعمق 12 سم كمواقع بناء ، وتم وضع كل مكون من مكونات المبنى في وعاء بترتيب معين: حيث استند إلى طبقة من الرمل الطبيعي طولها 7 سم ، ثم إلى منتصف الإناء (2.5 سم من الحافة العلوية) طبقة واحدة من 4 مخاليط من 20-30 ٪ من الحبوب الكبيرة (السيليكا السوداء أو الزرقاء) و 80-70 ٪ من الرمال الطبيعية. من الأعلى ، تم تغطية كل شيء بحلقة ورق ، ضرورية للقياسات ، بقطر 12.6 سم (ثقب - 4 سم).

وضعت جميع اليرقات في وسط أواني الزهور. بدأت معظم اليرقات في البناء بالفعل خلال الساعة الأولى من المراقبة. وبعد يومين تقريبًا ، بنت كل من اليرقات نفسها فخًا يبلغ قطره 12 إلى 23 ملم. قام العلماء بجمع كل الحبوب التي رميتها اليرقات أثناء البناء (كانوا على حلبة ورقية) وغربلوا للفرز. لوحظ موقع الحبوب الملونة المهملة على حلقة ورقية يدوياً عن طريق الصور الفوتوغرافية. لم يرغب العلماء في استخدام الأساليب الآلية من أجل الحصول على نتائج أكثر دقة.

نتائج الملاحظة

الصورة رقم 2: نتائج المراقبة المختبرية.

كما يتضح من الرسم البياني 2 أ ، فضلت اليرقات التخلص من الحبوب الكبيرة. تم طرد جزيئات السيليكا الزرقاء والسوداء 1.3 مرة أكثر مما كانت عليه في الخليط. لاحظ العلماء أيضًا أنه مع زيادة حجم الحفرة ، انخفض عدد الحبوب الكبيرة في جدرانها ( 2 درجة مئوية و 2 د ). قد تكون هذه الملاحظة بسبب حقيقة أن الحفر الصغيرة لا يمكن أن تسهم في التقسيم الطبقي الكافي. وهذا يعني أن تقارب الحبيبات (مثل الانهيار الجليدي) عندما تدخل الضحية في حفرة يكون أكثر احتمالًا مع وجود حجم أكبر من الحفرة نفسها. بالإضافة إلى ذلك ، تعد الحبوب الأصغر عاملاً مصاحبًا ، نظرًا لوجود زاوية أصغر للراحة ، لذلك فإن الانزلاق أكثر احتمالًا.

ببساطة ، تعتبر الحبوب الصغيرة مهمة بالنسبة ليرقات أسد النمل ، لأن الفريسة على حسابها سوف تنزلق على الأرجح إلى لسعات جائعة ، ولن تخرج بكلمات "fuh". لقد اتضح أن بناء اليرقات يحفر بطريقة غير مدروسة ، ولكنه يصنف مواد البناء بوعي شديد ، مما يضمن أقصى قدر من الفعالية للبناء المستقبلي.

الملاحظات هي ملاحظات ، ولكن لفهم كامل للهندسة المعمارية لفخاخ أسد النمل ، قرر العلماء أن يروا كيف سيبدو النموذج الحسابي لهذا المبنى.

نمذجة حفر لولبية

بادئ ذي بدء ، يلاحظ العلماء أن يرقات أسود النمل لا تبني مصائدها كما يفعل "حفارون" آخرون. عملية الحفر تحدث في دوامة ، وليس عموديا. والنمذجة الرياضية يمكن أن تكشف أسرار هذه العملية.

في إنشاء النموذج ، تم استخدام العمل السابق على التنظيم الذاتي في الوسائط الحبيبية. اعتبر العلماء مزيجًا من الحبيبات الصغيرة والكبيرة (الحبوب) كشبكة أحادية البعد مع العقد i = 1،2 ، ... ، L ، والتي تمثل مقطعًا عرضيًا من بئر تجريبية حقيقية. الجسيمات الصغيرة في الحجم والارتفاع هي 1 ، والجسيمات الكبيرة هي 2. وبالتالي ، يتم حساب الارتفاع في العقدة i ، hi من مجموع الجزيئات الصغيرة والكبيرة في العقدة ، حيث تساوي المنحدرات المحلية على كل جانب z _i ^Left = h _i - h _{i -1} و z _i ^right = h _i - h _{i + 1} .

لن يحدث الانهيار الأرضي إلا إذا تجاوز المتوسط ​​الحسابي لحبيبات المنحدر المحلي العلامة الحرجة. من الواضح أيضًا أن الحبوب الكبيرة ستكون أكثر ثباتًا بمنحدر أكثر انحدارًا من الحبوب الصغيرة. في المقابل ، الحبوب الصغيرة الموجودة على الحبوب الكبيرة أكثر استقرارًا من الحبوب الكبيرة على الحبوب الصغيرة. هذا الشرط ضروري لمراعاة التقسيم الطبقي في النموذج الرياضي.

يمكن أن تدور الحبوب يسارًا / يمينًا إذا تجاوز الميل المحلي في الاتجاه المقابل العلامة الحرجة ، z _i ^c . إذا تجاوز z _i ^Left و z _i ^Right القيمة الحرجة ، فستدحرج الحبيبة في اتجاه المنحدر الأشد أو في اتجاه عشوائي إذا كان z _i ^Left = z _i ^Right ﹥ z _i ^c .

تحديد قوة (حجم) الانهيار الأرضي هو العدد الإجمالي لسقوط الحبيبات في الحفرة خلال فترة زمنية معينة ( t ). بالنسبة للوزن ، يتم تحديده حسب حجم الحبيبات نفسها: تسهم الحبيبات الكبيرة 2 في المؤشر الكلي ، والحبيبات الصغيرة - 1. وبالتالي ، يتم أخذ جميع الحبيبات التي تشارك في الانهيار الأرضي في الاعتبار: الحبيبات الأولية والحبيبات التي تم التقاطها بواسطة التيار أثناء الحركة.


الصورة رقم 3: نتيجة النموذج الحلزوني عند t = 700 ونصف القطر الأولي r = 25. تتميز الحبوب الصغيرة باللون الأزرق والحبيبات الكبيرة باللون الأحمر ومزيج من كلاهما باللون الأبيض ، نظرًا لأن الحبوب الكبيرة لا تزيد عن 25٪.

في الحالة الأولية ، يتم إضافة نماذج الجسيمات بشكل عشوائي في حين أن h _i = H أو H + 1 ، بالنظر إلى أن 25٪ من إجمالي عدد الجسيمات كبير على وجه التحديد. تم تعيين أبعاد "نافذة الإزالة / الإخراج" على أنها 5 × 5 (العرض إلى العمق) وفقًا لحقيقة أن أسود النمل يطرد في كل خطوة من عملية حفر حفرة. تركزت هذه "النافذة" في عقدة محددة من الشبكة ، والتي يمكن تحويلها وفقًا لمسار الحفر اللولبي. يمكن للبرنامج التخلص من الحبوب بقدر ما هو مطلوب حتى يتم الوصول إلى حالة مستقرة من جدران فخ الحفرة المحاكاة.

استخدم العلماء ، باستخدام تقريب ستوكس وقانون نيوتن الثاني ، صيغة لمسار الجسيمات المقذوفة:



v _x و v _y هي المكونات الأفقية والرأسية لسرعة الجسيمات ؛
g هو تسارع الجاذبية.
⍺ = g / v _T هو معامل مقاومة الشكل ، حيث v _T هي سرعة الجسيمات النهائية: 150 سم / ثانية للجزيئات الصغيرة و 1000 سم / ثانية للكبير.

السرعة الأولية التي يتم بها إخراج الجسيمات هي كما يلي: v ₀ = (70 + δv) cm / s. واتجاه رمي: θ ₀ = (50 + δθ) °.

نصف القطر الأولي للحفرة ( r ) هو 25. ينفذ النموذج عملية الحفر في كل عقدة 4 مرات ، مما يضمن حركة إزالة معظم الحبوب. يصل الحلزوني إلى المركز بعد خطوات 8r ، ويحدث إكمال الحفرة عندما يقل عدد الحبوب الكبيرة في "نافذة الإزالة" عن المستوى الحرج.

لفهم فعالية الطريقة الحلزونية لتكوين مصائد الحفر ، قارن العلماء النموذج أعلاه بثلاثة نماذج مع الحفر المركزي: نموذج بدون إعادة توزيع للحبوب (يتم إزالتها ببساطة في العملية) ، نموذج بدون مقاومة الحبوب (مسارات الحبوب الصغيرة والكبيرة هي نفسها في هذه الحالة) النظر في المقاومة.

نتائج المحاكاة

الصورة رقم 4: نتائج المحاكاة.

أول مؤشر للمقارنة في النماذج والملاحظة الحقيقية هو عدد الحبوب الكبيرة التي تمت إزالتها. في النموذج الحلزوني للجسيمات الكبيرة عند الانتهاء من الحفر ، أصبح 1.4 مرة أصغر من الخليط الأصلي. تجدر الإشارة إلى أن النماذج المركزية مع / بدون مقاومة أظهرت انخفاضًا بنسبة 1.05 مرة فقط. تبعا لذلك ، ترتبط نتائج النموذج الحلزوني بالملاحظات الحقيقية ، مما يؤكد حسابات تناسق الحبوب الكبيرة والصغيرة في بناء مصائد الحفر.

كان نصف قطر البئر المحاكاة 30 وحدة ، والتي عند أخذ القياس في الحسبان ، تكون متطابقة تقريبًا مع نتائج اليرقات التي لوحظت في تجربة معملية - 18 ملم. تجدر الإشارة إلى أن متوسط ​​نصف القطر المرصود فيه تسارع إلى حد كبير إزالة الحبوب الكبيرة لتحقيق نصف قطر أكبر من الحفرة (قفزة في الرسم البياني 4c ).

عند الانتهاء من البناء ، تكون جدران مصائد اليرقات مغطاة بالكامل بحبوب صغيرة. وقد لوحظ هذا في جميع النماذج ، ولكن فقط في دوامة هذه العملية كانت أسرع.


جدول يقارن أداء النماذج المختلفة الموصوفة أعلاه. كما نرى ، كانت الإصدارات اللولبية للنماذج هي الأكثر فعالية.

النسبة بين نصف القطر الأولي (r ≈ 18) ، والتي يتم تقليل وقت الإكمال إليها (انخفاض قوي على الرسم البياني 4d ) ، ونصف قطر البئر النهائي الذي تنبأ به النموذج هو 0.60.

إذا كنا نتحدث عن تكلفة الوقت ، فإن الطريقة الحلزونية للحفر هنا أفضل من غيرها. مع دائرة نصف قطرها الأولي 25 لنموذج دوامة ، استغرق نصف الوقت لإكمال الحفرة من النماذج الأخرى. أظهرت مقارنة البيانات أن النموذج الحلزوني يقلل من الوقت لإكمال الحفر بنسبة 60 ٪ بقطر محدد في حدود 10 ... 42 وحدة ، أي 6-25 ملم في الواقع ، وهو ما أكدته نتائج الملاحظات في تجربة معملية.

للتعرف أكثر تفصيلًا على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بشدة أن تنظر في تقرير مجموعة الأبحاث .

خاتمة

في بعض الأحيان ، عندما تراقب حشرة ، تفكر في ما يدور في ذهن هذا المخلوق الصغير. هل يفهم كيف يعمل العالم ، هل يدرك العمليات المادية التي تحيط به ، هل يستخدمها؟ قد لا تجيب هذه الدراسة على السؤال "هل هي على علم؟" ، لكنها أكثر من إجابة إيجابية على السؤال "هل تستخدم؟".

من السهل حفر حفرة ، للوهلة الأولى على الأقل. ومع ذلك ، يجب أن يكون فخ الحفرة فعالاً بقدر الإمكان ، لأن حياة الشخص الذي قام ببنائه تعتمد على نجاحه. إذا لم تستخدم يرقات النمل الأسود نموذجًا لولبيًا للحفر ، وإذا لم يتم فرز حبيبات الرمل ، فلن يكون بمقدورهم التغذية بسهولة.

على الرغم من أن يرقات أسود النمل هي حيوانات مفترسة رهيبة ذات لدغات كبيرة ، إلا أنها تفضل استخدام ذكائهم كسلاح رئيسي وأكثر فاعلية في النضال من أجل الحياة في ظروف الحياة القاسية في البرية. صحيح ، من دون اللسعات الضخمة وحيل الضحية ، لكان السم أكثر صعوبة بالنسبة لهم.




شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 مراكز) 10GB DDR4 240GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية حتى الصيف مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك طلب هنا .

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ لدينا فقط 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة الأمريكية! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟