Feropoden werden nicht helfen: Forschung und mathematische Modellierung von Grubenfallen für Ameisenlöwenlarven

Der Forscher, fasziniert von der Größe und Schönheit der Welt außerhalb seiner Stadt, vom Willen des Schicksals, befindet sich an Orten, an denen er noch nie zuvor gewesen war. Verwundet und erschöpft sucht er seinen Weg nach Hause und trifft auf seinem Weg seelenlose und desinteressierte Passanten, die bereit sind, den Tod eines anderen ehrfürchtig zu beobachten. Er ist nicht bereit, sich mit einer solchen sozialen Ungerechtigkeit abzufinden, greift ein und rettet eine unbekannte Kreatur vor den unersättlichen Kiefern eines schrecklichen Monsters. Diese Kreatur ist klein, aber mit großem Herzen bietet sie ihm seine Hilfe als Antwort auf die Erlösung an. Und das gefräßige Monster wird ironischerweise zur Beute einer noch größeren Kreatur, vor der jeder ausnahmslos zittert.

Es klingt wie der Beginn eines Hollywood-Abenteuerfilms, aber tatsächlich ist es Ant's Journey (1983) - ein wunderbarer Cartoon, der seit langem in Anführungszeichen zerlegt wurde. Die Ameise rettet den Booger („Ich höre vom Booger!“) Aus einer Falle, die von einer sehr beschäftigten Kreatur - dem Ameisenlöwen - hergestellt wurde. Und heute werden wir speziell darüber sprechen und genauer darüber, wie Biologen in Zusammenarbeit mit Physikern eine Studie über die Struktur von Ameisenlöwenfallen durchgeführt haben. Warum können solche Fallen nicht als einfache Gruben bezeichnet werden, wie sie die Larven von Ameisenlöwen herstellen, und was sind die genauen Parameter dieser tödlichen Gebäude? Die interessantesten Antworten auf diese und andere Fragen finden wir im Bericht der Wissenschaftler. Lass uns gehen.

Werkzeuge, Architektur und Todesgruben

Wissenschaftler, die sich für die Durchführung dieser Studie entscheiden, argumentieren, dass der Einsatz von Tierwerkzeugen schmerzlich überbewertet wird. Und diese Aussage kann nicht als unvernünftig bezeichnet werden. Beispielsweise verwenden Schimpansen in nur 1% der Fälle Werkzeuge zur Nahrungsgewinnung. Gebäude, die verschiedene Kreaturen ständig nutzen, einschließlich Nestern und Fallen, um Beute zu fangen, verdienen viel mehr Aufmerksamkeit.


Das Herstellen von Netzfallen ist schwierig, aber üblich, aber Seidenbrücken über Flüsse sind ein völlig anderes Können.

Das Bauen von Fallen ist unter den Bewohnern unseres Planeten nicht die beliebteste Fähigkeit. Unter Wirbeltieren besitzen nur Menschen diese Fähigkeit. Und bei Wirbellosen fallen zuerst Spinnen und ihre Netzwerke ein, deren Komplexität, Vielfalt und mathematische Genauigkeit erstaunlich sind. Natürlich sind unsere achtbeinigen Freunde nicht die einzigen, die Seide, die von ihrem eigenen Körper hergestellt wird, als Baumaterial verwenden. Neben 10.000 Arten von Spinnen verwenden 2000 Larven von Caddis-Arten auch Seide sowie Larven von 4 Arten von Arachnocampa aus der Gattung der Pilzmücken.

Der Bau von Fallen ohne Verwendung von Seide ist jedoch nur bei mehreren hundert Ameisenarten und einer kleinen Anzahl von Würmerarten üblich. Einer dieser Erbauer ist die Ameisenlöwenlarve.


Ein erwachsener Ameisenlöwe spielt Peeper mit einem Fotografen.

Der Ameisenlöwe ist keine mythische Chimäre oder eine Idee eines Science-Fiction-Schriftstellers, sondern eine Insektenfamilie, die Libellen sehr ähnlich sieht. Aber sie erhielten ihren nicht standardmäßigen Namen für das Aussehen und die Gewohnheiten der Larven.


"Süßes" Gesicht einer Ameisenlöwenlarve.

Die Larven von Ameisenlöwen kommen je nach Verhalten in zwei Formen vor. Einige leben im Sand und jagen ihre Beute, sozusagen jagen sie auf klassische Weise. Andere, die Geduld und architektonische Fähigkeiten besitzen, bauen Gruben im Sand mit einer Tiefe von bis zu 5 cm und einem Durchmesser von etwa 8 cm. Die Larve selbst ist in der Mitte ihrer Falle begraben und lässt nur ihre massiven und sehr starken Mandibeln auf der Oberfläche zurück. Das Opfer, normalerweise eine Ameise, die die Unklugheit hat, auf den Rand der Fossa zu treten, rutscht in den unvermeidlichen Tod. Die Ameisenlöwenlarve greift nach der Beute, injiziert Verdauungsenzyme in ihren Körper, trinkt das Opfer buchstäblich und wirft sein zerstörtes Chitin-Exoskelett aus der Falle.


Die Larve eines Ameisenlöwen.

Wenn sich herausstellt, dass die Beute schmerzhaft schnell und energisch ist und versucht, aus der Falle herauszukommen, wirft die Larve Sandkörner darauf, die das Opfer niederschlagen können. Auf die gleiche Weise bauen Ameisenlöwenlarven buchstäblich ihre Köpfe und bauen ihre Fallen. Und es war der Bauprozess, der Wissenschaftler interessierte. Der Sand ist sehr heterogen und besteht aus Sandkörnern (Körnern) unterschiedlicher Größe und entsprechendem Gewicht (wie z. B. Schneeflocken). Ameisenlöwenlarven bilden eine Spirale und sortieren Sandkörner in einer bestimmten Reihenfolge. Wie und warum - das sind Fragen, auf die Wissenschaftler Antworten gefunden haben.

Studienbasis

Die Wissenschaftler beschlossen, Beobachtungen unter kontrollierten Bedingungen unter Verwendung von Sandkörnern mit drei spezifischen Größen und einem Papierring durchzuführen, die zur Bestimmung der Größe der ausgestoßenen Körner, des Durchmessers der Falle und anderer Messungen erforderlich sind.


Bild Nr. 1: a - das Aussehen der Fallengrube der Ameisenlöwenlarve (Foto auf Guernsey Island); b - Bild des Radius des Ausstoßes von Körnern in Abhängigkeit von ihrer Größe und ihrem Gewicht; c - zweidimensionales Bild der Spiralbahn der Grubenfallenkonstruktion: d - Momentaufnahme des Randes der Grubenfalle aus dem Experiment (wir können eine klare Trennung / Sortierung von Granulat sehen); e ist ein Fallgrubenmodell, das die Hele-Shaw-Regel berücksichtigt.

Die Versuchspersonen waren 16 Larven von Ameisenlöwen der Euroleon-Nostras-Arten, die aus der Wildnis (südöstlich von Guernsey) entnommen wurden. Wissenschaftler bemerken eine erstaunliche Beobachtung: Die Gruben dieser Larven befanden sich unter Hecken, d.h. in Sträuchern und nicht in offenen Sandräumen, wie es normalerweise der Fall ist. Dies ist wahrscheinlich ein Versuch, Sträucher als Regenschutz zu verwenden. Darüber hinaus stellten Wissenschaftler fest, dass die Larven Fallen ausschließlich an Stellen bauten, an denen nur ein Minimum an Ablagerungen vorhanden war (abgefallene Blätter, Zweige usw.). Diese Beobachtungen allein reichen aus, um eine vorläufige Schlussfolgerung über die nicht zufällige Wahl der Baustelle der Fallgrube zu ziehen.

Die Forscher bereiteten eine Testsandmischung aus natürlichem trockenem Silbersand von den Stränden von Guernsey, schwarzen Kieselsäurekörnern (1-2 mm, durchschnittlich 0,0078 g) und blauen Kieselsäurekörnern (1,5 bis 3 mm, durchschnittlich 0,028 g) vor. Als Baustellen wurden Blumentöpfe mit einer Höhe von 14 cm und einer Tiefe von 12 cm verwendet. Jedes der Bauteile wurde in einer bestimmten Reihenfolge in einen Topf gegeben: Es basierte auf einer 7 cm dicken Schicht Natursand, dann in der Mitte des Topfes (2,5 cm vom oberen Rand entfernt) eine Schicht aus einem von 4 Gemischen aus 20-30% großen Körnern (schwarze oder blaue Kieselsäure) und 80-70% natürlichem Sand. Von oben wurde alles mit einem für Messungen notwendigen Papierring mit einem Durchmesser von 12,6 cm (Loch - 4 cm) abgedeckt.

Alle Larven wurden in die Mitte der Blumentöpfe gestellt. Die meisten Larven begannen bereits in der ersten Beobachtungsstunde mit dem Bau. Und nach ungefähr zwei Tagen baute sich jede der Larven eine Grubenfalle mit einem Durchmesser von 12 bis 23 mm. Die Wissenschaftler sammelten alle Körner, die die Larven während des Baus herauswarfen (sie befanden sich auf einem Papierring) und sieben sie zum Sortieren. Die Position von weggeworfenen farbigen Körnern auf einem Papierring wurde manuell mittels Fotografien notiert. Wissenschaftler wollten keine automatisierten Methoden verwenden, um genauere Ergebnisse zu erzielen.

Beobachtungsergebnisse

Bild Nr. 2: Laborbeobachtungsergebnisse.

Wie aus Grafik 2a ersichtlich ist , zogen es die Larven vor, größere Körner loszuwerden. Blaue und schwarze Siliciumdioxidpartikel wurden 1,3-mal mehr als in der Mischung herausgeschleudert. Wissenschaftler bemerkten auch, dass mit zunehmender Größe der Grube die Anzahl der großen Körner in ihren Wänden abnahm ( 2c und 2d ). Eine solche Beobachtung kann auf die Tatsache zurückzuführen sein, dass kleine Gruben nicht zu einer ausreichenden Schichtung beitragen können. Das heißt, die Konvergenz von Granulat (wie eine Lawine) beim Betreten einer Grube durch ein Opfer ist bei einem größeren Volumen der Grube selbst viel wahrscheinlicher. Darüber hinaus sind kleinere Körner ein Begleitfaktor, da sie einen kleineren Ruhewinkel haben, sodass ein Verrutschen wahrscheinlicher ist.

Einfach ausgedrückt, sind kleine Körner für Ameisenlöwenlarven wichtig, da die Beute auf ihre Kosten höchstwahrscheinlich zu hungrigen Stichen rutscht und nicht mit den Worten "fuh, durchgetragen" herauskommt. Es stellt sich heraus, dass die Larven nicht gedankenlos Gruben bauen, sondern ganz bewusst Baumaterialien sortieren, um maximale Effizienz des zukünftigen Baus zu gewährleisten.

Beobachtungen sind Beobachtungen, aber um die Architektur von Ameisenlöwenfallen vollständig zu verstehen, beschlossen die Wissenschaftler zu sehen, wie das Rechenmodell dieses Gebäudes aussehen würde.

Modellierung des Spiralgrabens

Zunächst stellen Wissenschaftler fest, dass die Larven von Ameisenlöwen ihre Fallen nicht wie andere "Bagger" bauen. Der Prozess des Grabens erfolgt spiralförmig und nicht vertikal. Und mathematische Modellierung kann die Geheimnisse dieses Prozesses enthüllen.

Bei der Erstellung des Modells wurden frühere Arbeiten zur Selbstorganisation in granularen Medien verwendet. Wissenschaftler betrachteten eine Mischung aus kleinen und großen Körnchen (Körnern) als eindimensionales Gitter mit Knoten i = 1,2, ..., L, das einen Querschnitt eines realen experimentellen Bohrlochs darstellt. Kleine Teilchen in Volumen und Höhe sind 1 und große Teilchen sind 2. Somit wird die Höhe am Knoten i, hi aus der Summe kleiner und großer Teilchen am Knoten berechnet, wobei die lokalen Steigungen auf jeder Seite gleich z _i ^Links = h _i - h _{i sind -1} und z _i ^Rechts = h _i - h _{i + 1} .

Ein Erdrutsch tritt nur auf, wenn der arithmetische Durchschnitt des Granulats der lokalen Steigung die kritische Marke überschreitet. Es ist auch offensichtlich, dass große Körner mit einer steileren Neigung stabiler sind als kleine. Kleine Körner auf großen Körnern sind wiederum stabiler als große auf kleinen. Diese Bedingung ist erforderlich, um die Schichtung im mathematischen Modell zu berücksichtigen.

Ein Korn kann nach links / rechts rollen, wenn die lokale Neigung in der entsprechenden Richtung die kritische Markierung z _i ^c überschreitet. Wenn z _i ^Links und z _i ^Rechts den kritischen Wert überschreiten, rollt das Granulat in Richtung des steilsten Abhangs oder in zufälliger Richtung, wenn z _i ^Links = z _i ^Rechts ﹥ z _i ^c .

Die Bestimmung der Stärke (Größe) eines Erdrutschs ist die Gesamtzahl der Pelletstürze in der Grube über einen bestimmten Zeitraum ( t ). Das Gewicht wird durch die Größe des Granulats selbst bestimmt: Große tragen 2 zum Gesamtindikator bei und kleine - 1. Somit werden alle Granulate berücksichtigt, die am Erdrutsch beteiligt sind: die anfänglichen und diejenigen, die während der Bewegung vom Strom erfasst wurden.


Bild Nr. 3: das Ergebnis des Spiralmodells bei t = 700 und dem Anfangsradius r = 25. Kleine Körner sind blau markiert, große Körner rot und eine Mischung aus beiden weiß, da große Körner nicht mehr als 25% ausmachen.

Im Ausgangszustand werden die Partikelmodelle zufällig in der Größe addiert, während h _i = H oder H + 1 ist, vorausgesetzt, dass 25% der Gesamtzahl der Partikel genau groß sind. Die Abmessungen des „Entfernungs- / Auswurffensters“ wurden entsprechend der Tatsache, dass Ameisenlöwen bei jedem Schritt des Grabens eines Lochs herauswerfen, auf 5 × 5 (Breite bis Tiefe) eingestellt. Dieses "Fenster" wurde in einem bestimmten Knoten des Gitters zentriert, der entsprechend dem spiralförmigen Grabweg verschoben werden kann. Das Programm kann beliebig viele Körner wegwerfen, bis ein stabiler Zustand der Wände der simulierten Grubenfalle erreicht ist.

Wissenschaftler haben unter Verwendung der Stokes-Näherung und des zweiten Newtonschen Gesetzes eine Formel für die Flugbahn ausgestoßener Partikel abgeleitet:



v _x und v _y sind die horizontalen und vertikalen Komponenten der Teilchengeschwindigkeit;
g ist die Gravitationsbeschleunigung;
⍺ = g / v _T ist der Formwiderstandskoeffizient, wobei v _T die endgültige Partikelgeschwindigkeit ist: 150 cm / s für kleine Partikel und 1000 cm / s für große.

Die Anfangsgeschwindigkeit, mit der die Partikel ausgestoßen werden, ist wie folgt: v ₀ = (70 + δv) cm / s. Und die Richtung des Wurfs: θ ₀ = (50 + δθ) °.

Der Anfangsradius der Grube ( r ) beträgt 25. Das Modell führt den Grabvorgang an jedem Knoten viermal durch, wodurch die Helizität der Entfernung der meisten Körner sichergestellt wird. Die Spirale erreicht das Zentrum nach 8-stufigen Schritten und die Fertigstellung der Grube erfolgt, wenn die Anzahl der großen Körner im „Entfernungsfenster“ unter ein kritisches Niveau fällt.

Um die Wirksamkeit der Spiralmethode zur Bildung von Grubenfallen zu verstehen, verglichen die Wissenschaftler das obige Modell mit drei Modellen mit zentralem Graben: einem Modell ohne Umverteilung der Körner (sie werden dabei einfach entfernt), einem Modell ohne Widerstand der Körner (die Trajektorien kleiner und großer Körner sind in diesem Fall gleich), dem Modell mit unter Berücksichtigung des Widerstands.

Simulationsergebnisse

Bild Nr. 4: Simulationsergebnisse.

Der erste Indikator, der in Modellen und realen Beobachtungen verglichen werden kann, ist die Anzahl der entfernten großen Körner. Im Spiralmodell großer Partikel wurde es nach Abschluss des Grabens 1,4-mal kleiner als in der ursprünglichen Mischung. Es ist zu beachten, dass zentralisierte Modelle mit / ohne Widerstand nur eine 1,05-fache Abnahme zeigten. Dementsprechend korrelieren die Ergebnisse eines Spiralmodells mit realen Beobachtungen, was die Berechnung der Proportionalität großer und kleiner Körner beim Bau von Grubenfallen bestätigt.

Der Radius der simulierten Vertiefung betrug 30 Einheiten, was unter Berücksichtigung der Skalierung fast identisch mit den Ergebnissen von Larven ist, die in einem Laborexperiment beobachtet wurden - 18 mm. Es ist erwähnenswert, dass die beobachteten durchschnittlichen Radien, bei denen das Entfernen großer Körner stark beschleunigt wird, um einen größeren Radius der Grube zu erreichen (Sprung in Grafik 4c ).

Nach Abschluss der Bauarbeiten sind die Wände der Grubenfallen der Larven fast vollständig mit kleinen Körnern bedeckt. Dies wurde bei allen Modellen beobachtet, aber nur in der Spirale war dieser Prozess schneller.


Eine Tabelle zum Vergleich der Leistung verschiedener oben beschriebener Modelle. Wie wir sehen, erwiesen sich die Spiralversionen der Modelle als am effektivsten.

Das Verhältnis zwischen dem Anfangsradius (r ≈ 18), für das die Fertigstellungszeit minimiert ist (starker Rückgang in der Grafik 4d ), und dem vom Modell vorhergesagten Endradius des Bohrlochs beträgt 0,60.

Wenn wir über die Zeitkosten sprechen, dann ist hier die Spiralmethode des Grabens besser als andere. Mit einem Anfangsradius von 25 für das Spiralmodell dauerte die Fertigstellung der Grube die Hälfte der Zeit als bei anderen Modellen. Ein Vergleich der Daten zeigte, dass das Spiralmodell die Zeit bis zur Fertigstellung der Gruben um 60% bei einem endlichen Durchmesser im Bereich von 10 ... 42 Einheiten, d.h. 6-25 mm in der Realität, was durch die Ergebnisse von Beobachtungen in einem Laborexperiment bestätigt wurde.

Für eine detailliertere Kenntnis der Nuancen der Studie empfehle ich dringend, dass Sie sich den Bericht der Forschungsgruppe ansehen.

Nachwort

Wenn Sie ein Insekt beobachten, denken Sie manchmal darüber nach, was diese kleine Kreatur denkt. Versteht es, wie die Welt funktioniert, ist es sich der physischen Prozesse bewusst, die es umgeben, nutzt es sie? Diese Studie beantwortet möglicherweise nicht die Frage „Ist sie sich bewusst?“, Beantwortet jedoch die Frage „Verwendet sie?“ Mehr als positiv.

Ein Loch zu graben ist zumindest auf den ersten Blick einfach. Die Grubenfalle sollte jedoch so effizient wie möglich sein, da das Leben der Person, die sie gebaut hat, von ihrem Erfolg abhängt. Wenn die Ameisenlöwenlarven kein Spiralmodell zum Graben verwenden würden, wenn Sandkörner nicht sortiert würden, könnten sie sich nicht so leicht ernähren.

Ameisenlöwenlarven sind zwar schreckliche Raubtiere mit großen Stacheln, aber sie bevorzugen es, ihre Intelligenz als Haupt- und effektivste Waffe im Kampf ums Leben unter den rauen Bedingungen der Wildnis einzusetzen. Ohne die riesigen Stiche und die sich auflösenden Eingeweide des Opfers wäre das Gift für sie wahr gewesen.




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