Les feropodes n'aideront pas: recherche et modélisation mathématique des pièges à fosse pour les larves de fourmis lionnes

Le chercheur, fasciné par la grandeur et la beauté du monde en dehors de sa ville, veut le destin dans des endroits où il n'avait jamais été auparavant. Blessé et épuisé, il cherche son chemin vers la maison, rencontrant sur son chemin des passants sans âme et désintéressés, prêts à regarder avec révérence la mort d'un autre. Pas prêt à supporter une telle injustice sociale, il intervient et sauve une créature inconnue des mâchoires voraces d'un terrible monstre. Cette créature est petite, mais avec un grand cœur, lui offre son aide en réponse au salut. Et le monstre gourmand, ironiquement, devient la proie d'une créature encore plus grande, devant laquelle tout le monde tremble sans exception.

Cela ressemble au début d'un film d'aventure hollywoodien, mais en fait c'est Ant's Journey (1983) - un merveilleux dessin animé qui a longtemps été démonté entre guillemets. La fourmi sauve le booger ("J'ai des nouvelles du booger!") D'un piège fait par une créature très occupée - la fourmi lion. Et aujourd'hui, nous en parlerons spécifiquement, et plus précisément de la manière dont les biologistes, en collaboration avec les physiciens, ont mené une étude sur la structure des pièges à fourmis. Pourquoi ces pièges ne peuvent-ils pas être appelés de simples fosses, comme le font les larves de lions de fourmis, et quels sont les paramètres exacts de ces bâtiments mortels? Nous trouverons les réponses les plus intéressantes à ces questions et à d'autres dans le rapport des scientifiques. Allons-y.

Outils, architecture et fosses de la mort

Les scientifiques qui décident de mener cette étude soutiennent que l'utilisation d'outils animaux est douloureusement surfaite. Et cette déclaration ne peut pas être qualifiée de déraisonnable. Par exemple, les chimpanzés utilisent des outils d'extraction des aliments dans seulement 1% des cas. Les bâtiments que diverses créatures utilisent régulièrement, y compris les nids et les pièges pour attraper les proies, méritent beaucoup plus d'attention.


La fabrication de pièges à toile est difficile, mais courante, mais les ponts de soie à travers les rivières ont un niveau de compétence complètement différent.

La construction de pièges n'est pas la compétence la plus populaire parmi les habitants de notre planète. Parmi les vertébrés, seuls les humains possèdent cette compétence. Et parmi les invertébrés, les araignées et leurs réseaux sont les premiers à venir à l'esprit, dont la complexité, la variété et la précision mathématique sont étonnantes. Bien sûr, nos amis à huit pattes ne sont pas les seuls à utiliser la soie produite par leur propre corps comme matériau de construction. En plus de 10 000 espèces d'araignées, 2 000 larves d'espèces de caddis utilisent également de la soie, ainsi que des larves de 4 espèces d'Arachnocampa du genre des moustiques champignons.

Mais la construction de pièges sans utilisation de soie n'est courante que chez plusieurs centaines d'espèces de fourmis et un petit nombre d'espèces de vers. L'un de ces constructeurs est la larve de fourmi lion.


Un lion de fourmi adulte jouant des regards avec un photographe.

La fourmi lion n'est pas une chimère mythique ou une idée originale d'un écrivain de science-fiction, c'est une famille d'insectes qui ressemblent beaucoup à des libellules. Mais ils ont reçu leur nom non standard pour l'apparence et les habitudes des larves.


Visage «mignon» d'une larve de fourmi lion.

Les larves de lions de fourmis se présentent sous deux formes, selon leur comportement. Certains vivent dans le sable et chassent leurs proies, pour ainsi dire ils chassent de manière classique. D'autres, possédant de la patience et des compétences architecturales, construisent des fosses dans le sable jusqu'à 5 cm de profondeur et environ 8 cm de diamètre. La larve elle-même est enterrée au centre de son piège, ne laissant en surface que ses mandibules massives et très solides. La victime, généralement une fourmi, ayant l'imprudence de marcher sur le bord de la fosse, commence à glisser vers sa mort inévitable. Saisissant la proie, la larve de fourmi lion injecte des enzymes digestives dans son corps et boit littéralement la victime, jetant son exosquelette de chitine dévasté à l'extérieur du piège.


La larve d'une fourmi lion.

Si la proie s'avère douloureusement rapide et énergique et essaie de sortir du piège, la larve commence à lui jeter des grains de sable, ce qui peut renverser la victime. De la même manière, travaillant littéralement la tête, les larves de fourmis lions construisent leurs pièges. Et c'est le processus de construction qui a intéressé les scientifiques. Le sable est très hétérogène et se compose de grains de sable (grains) de différentes tailles et, par conséquent, de poids (comme des flocons de neige, par exemple). Les larves de lions de fourmis se forment en spirale, triant les grains de sable dans un ordre spécifique. Comment et pourquoi - ce sont des questions auxquelles les scientifiques ont décidé de trouver des réponses.

Base d'étude

Les scientifiques ont décidé d'effectuer des observations dans des conditions contrôlées en utilisant des grains de sable de trois tailles spécifiques et un anneau en papier, nécessaires pour déterminer la taille des particules éjectées, le diamètre du piège et d'autres mesures.


Image n ° 1: - l'apparition de la fosse piège de la larve de fourmi lion (photo prise sur l'île de Guernesey); b - image du rayon d'éjection des grains, en fonction de leur taille et de leur poids; c - image bidimensionnelle de la trajectoire en spirale de la construction du piège à fosse: d - instantané du bord du piège à fosse de l'expérience (nous pouvons voir une séparation / tri claire des granulés); e est un modèle de piège qui prend en compte la règle Hele-Shaw.

Les sujets expérimentaux étaient 16 larves de lions de fourmis de l'espèce Euroleon nostras, qui ont été prélevés dans la nature (sud-est de Guernesey). Les scientifiques notent une observation étonnante: les fosses de ces larves étaient situées sous des haies, c'est-à-dire dans les arbustes et non dans les espaces sablonneux ouverts, comme c'est généralement le cas. Il s'agit probablement d'une tentative d'utiliser des arbustes comme protection contre la pluie. De plus, les scientifiques ont remarqué que les larves construisaient des pièges exclusivement dans des endroits où il y avait un minimum de débris (feuilles tombées, branches, etc.). Ces observations suffisent à elles seules pour tirer une conclusion préliminaire sur le choix non aléatoire du site de construction de la fosse.

Les chercheurs ont préparé un mélange de sable d'essai de sable argenté naturel sec des plages de Guernesey, de grains de silice noire (1-2 mm, une moyenne de 0,0078 g) et de grains de silice bleue (1,5-3 mm, une moyenne de 0,028 g). Des pots de fleurs d'une hauteur de 14 cm et d'une profondeur de 12 cm ont été utilisés comme sites de construction. Chacun des éléments de construction a été placé dans un pot dans un certain ordre: il était basé sur une couche de sable naturel de 7 cm, puis au milieu du pot (2,5 cm du bord supérieur) une couche d'un de 4 mélanges de 20-30% de gros grains (silice noire ou bleue) et 80-70% de sable naturel. D'en haut, tout était recouvert d'un anneau en papier, nécessaire aux mesures, d'un diamètre de 12,6 cm (trou - 4 cm).

Toutes les larves ont été placées au centre des pots de fleurs. La plupart des larves ont commencé la construction dès la première heure d'observation. Et après environ deux jours, chacune des larves s'est construite un piège à fosse d'un diamètre de 12 à 23 mm. Les scientifiques ont collecté tous les grains que les larves ont jetés pendant la construction (ils étaient sur un anneau en papier) et tamisés pour le tri. La localisation des grains colorés jetés sur un anneau en papier a été notée manuellement au moyen de photographies. Les scientifiques ne voulaient pas utiliser de méthodes automatisées pour obtenir des résultats plus précis.

Résultats d'observation

Image n ° 2: résultats d'observation en laboratoire.

Comme le montre le graphique 2a, les larves ont préféré se débarrasser des gros grains. Des particules de silice bleues et noires ont été rejetées 1,3 fois plus qu'elles ne l'étaient dans le mélange. Les scientifiques ont également remarqué qu'avec l'augmentation de la taille de la fosse, le nombre de gros grains dans ses parois a diminué ( 2c et 2d ). Une telle observation peut être due au fait que les petites fosses ne peuvent pas contribuer à une stratification suffisante. C'est-à-dire que la convergence des granules (comme une avalanche) lorsqu'une victime pénètre dans une fosse est beaucoup plus probable avec un plus grand volume de la fosse elle-même. En plus de cela, les grains plus petits sont un facteur concomitant, car ils ont un angle de repos plus petit, donc le glissement est plus probable.

En termes simples, les petits grains sont importants pour les larves de fourmis, car à leurs dépens, les proies glisseront très probablement vers des piqûres affamées et ne sortiront pas avec les mots "fuh, carry through". Il s'avère que les larves construisent des fosses non pas sans réfléchir, mais en triant très consciemment les matériaux de construction, assurant une efficacité maximale de la future construction.

Les observations sont des observations, mais pour une compréhension complète de l'architecture des pièges à fourmis, les scientifiques ont décidé de voir à quoi ressemblerait le modèle informatique de ce bâtiment.

Modélisation de fouille en spirale

Tout d'abord, les scientifiques notent que les larves de lions de fourmis ne construisent pas leurs pièges comme le font les autres "creuseurs". Le processus de creusage se déroule en spirale et non verticalement. Et la modélisation mathématique peut révéler les secrets de ce processus.

Lors de la création du modèle, des travaux antérieurs sur l'auto-organisation dans les médias granulaires ont été utilisés. Les scientifiques ont considéré un mélange de petits et gros granules (grains) comme un réseau unidimensionnel avec des nœuds i = 1,2, ..., L, représentant une section efficace d'un puits expérimental réel. Les petites particules en volume et en hauteur valent 1 et les grosses particules en 2. Ainsi, la hauteur au nœud i, hi est calculée à partir de la somme des petites et grandes particules au nœud, où les pentes locales de chaque côté sont égales à z _i ^Gauche = h _i - h _{i -1} et z _i ^Droite = h _i - h _{i + 1} .

Un glissement de terrain ne se produira que si la moyenne arithmétique des granules de la pente locale dépasse la marque critique. Il est également évident que les gros grains seront plus stables avec une pente plus raide que les petits. À leur tour, les petits grains situés sur les gros sont plus stables que les gros sur les petits. Cette condition est nécessaire pour tenir compte de la stratification dans le modèle mathématique.

Un grain peut rouler à gauche / à droite si la pente locale dans la direction correspondante dépasse la marque critique, z _i ^c . Si z _i ^gauche et z _i ^droite dépassent la valeur critique, le granulé roulera dans la direction de la pente la plus raide ou dans une direction aléatoire si z _i ^gauche = z _i ^droite ﹥ z _i ^c .

La détermination de la puissance (taille) d'un glissement de terrain est le nombre total de chutes de granules dans la fosse sur une certaine période de temps ( t ). Quant au poids, il est déterminé par la taille des granules eux-mêmes: les gros contribuent 2 à l'indicateur total, et les petits - 1. Ainsi, tous les granules qui participent au glissement de terrain sont pris en compte: les premiers et ceux qui ont été capturés par le cours d'eau pendant le mouvement.


Image n ° 3: le résultat du modèle en spirale à t = 700 et le rayon initial r = 25. Les petits grains sont marqués en bleu, les gros grains en rouge et un mélange des deux en blanc, étant donné que les gros grains ne dépassent pas 25%.

Dans l'état initial, les modèles de particules sont ajoutés de façon aléatoire en taille alors que h _i = H ou H + 1, étant donné que 25% du nombre total de particules est précisément grand. Les dimensions de la «fenêtre de retrait / éjection» ont été fixées à 5x5 (largeur à profondeur) conformément au fait que les lions de fourmis jettent à chaque étape du processus de creusement d'un trou. Cette "fenêtre" était centrée dans un nœud spécifique du réseau, qui peut être déplacé en fonction de la trajectoire en spirale du creusement. Le programme peut jeter autant de grains que souhaité jusqu'à ce qu'un état stable des parois du piège à fosse simulé soit atteint.

Les scientifiques, en utilisant l'approximation de Stokes et la deuxième loi de Newton, ont dérivé une formule pour la trajectoire des particules éjectées:



v _x et v _y sont les composantes horizontale et verticale de la vitesse des particules;
g est l'accélération gravitationnelle;
⍺ = g / v _T est le coefficient de résistance de forme, où v _T est la vitesse finale des particules: 150 cm / s pour les petites particules et 1000 cm / s pour les grandes.

La vitesse initiale avec laquelle les particules sont éjectées est la suivante: v ₀ = (70 + δv) cm / s. Et la direction du jet: θ ₀ = (50 + δθ) °.

Le rayon initial de la fosse ( r ) est de 25. Le modèle effectue le processus de creusement à chaque nœud 4 fois, ce qui garantit l'hélicité d'élimination de la plupart des grains. La spirale atteint le centre après 8 étapes, et l'achèvement de la fosse se produit lorsque le nombre de gros grains dans la «fenêtre de retrait» tombe en dessous d'un niveau critique.

Pour comprendre l'efficacité de la méthode en spirale de formation des pièges à fosse, les scientifiques ont comparé le modèle ci-dessus à trois modèles à creusement centralisé: un modèle sans redistribution des grains (ils sont simplement supprimés dans le processus), un modèle sans résistance des grains (les trajectoires des petits et gros grains sont les mêmes dans ce cas), le modèle avec compte tenu de la résistance.

Résultats de la simulation

Image n ° 4: résultats de simulation.

Le premier indicateur à comparer dans les modèles et l'observation réelle est le nombre de gros grains enlevés. Dans le modèle en spirale de grosses particules à la fin du creusement, il est devenu 1,4 fois plus petit que dans le mélange d'origine. Il convient de noter que les modèles centralisés avec / sans résistance ont montré une diminution de seulement 1,05 fois. En conséquence, les résultats d'un modèle en spirale sont corrélés avec des observations réelles, ce qui confirme les calculs de la proportionnalité des gros et des petits grains dans la construction des pièges à fosse.

Le rayon du puits simulé était de 30 unités, ce qui, compte tenu de la mise à l'échelle, est presque identique aux résultats des larves observées dans une expérience de laboratoire - 18 mm. Il convient de noter les rayons moyens observés auxquels l'élimination des gros grains est fortement accélérée pour atteindre un plus grand rayon de la fosse (saut dans le graphique 4c ).

Une fois la construction terminée, les parois des pièges des larves sont presque entièrement recouvertes de petits grains. Cela a été observé dans tous les modèles, mais seulement dans la spirale, ce processus était plus rapide.


Un tableau comparant les performances des différents modèles décrits ci-dessus. Comme nous le voyons, ce sont les versions en spirale des modèles qui se sont révélées les plus efficaces.

Le rapport entre le rayon initial (r ≈18), pour lequel le temps d'achèvement est minimisé (forte baisse sur le graphique 4d ), et le rayon final du puits, prédit par le modèle, est de 0,60.

Si nous parlons du coût du temps, alors la méthode de fouille en spirale est meilleure que les autres. Avec un rayon initial de 25 pour le modèle en spirale, il a fallu la moitié du temps pour terminer la fosse que les autres modèles. Une comparaison des données a montré que le modèle en spirale réduit le temps de remplissage des puits de 60% avec un diamètre fini dans la plage de 10 ... 42 unités, soit 6-25 mm en réalité, ce qui a été confirmé par les résultats des observations dans une expérience de laboratoire.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande fortement de consulter le rapport du groupe de recherche .

Épilogue

Parfois, en observant un insecte, vous pensez à ce qui est dans l'esprit de cette petite créature. Comprend-il comment fonctionne le monde, est-il conscient des processus physiques qui l'entourent, les utilise-t-il? Cette étude ne répond peut-être pas à la question «est-elle consciente?», Mais elle répond plus qu'affirmativement à la question «utilise-t-elle?».

Creuser un trou est facile, du moins à première vue. Cependant, le piège à fosse doit être aussi efficace que possible, car la vie de la personne qui l'a construit dépend de son succès. Si les larves de fourmis lion n'utilisaient pas un modèle de fouille en spirale, si les grains de sable n'étaient pas triés, ils ne pourraient pas se nourrir si facilement.

Bien que les larves de lions de fourmis soient de terribles prédateurs avec de grands aiguillons, elles préfèrent utiliser leur intelligence comme l'arme principale et la plus efficace dans la lutte pour la vie dans les conditions difficiles de la nature. Certes, sans les énormes piqûres et les entrailles dissolvantes de la victime, le poison aurait été plus difficile pour elle.




Merci de rester avec nous. Aimez-vous nos articles? Vous voulez voir des matériaux plus intéressants? Soutenez-nous en passant une commande ou en le recommandant à vos amis, une réduction de 30% pour les utilisateurs Habr sur un analogue unique de serveurs d'entrée de gamme que nous avons inventés pour vous: Toute la vérité sur VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 cœurs) 10 Go DDR4 240 Go SSD 1 Gbps à partir de 20 $ ou comment diviser le serveur? (les options sont disponibles avec RAID1 et RAID10, jusqu'à 24 cœurs et jusqu'à 40 Go de DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 cœurs) 10 Go DDR4 240 Go SSD 1 Gbit / s jusqu'à l'été gratuitement lorsque vous payez pour une période de six mois, vous pouvez commander ici .

Dell R730xd 2 fois moins cher? Nous avons seulement 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128 Go DDR4 6x480 Go SSD 1 Gbps 100 TV à partir de 249 $ aux Pays-Bas et aux États-Unis! Pour en savoir plus sur la création d'un bâtiment d'infrastructure. classe utilisant des serveurs Dell R730xd E5-2650 v4 coûtant 9 000 euros pour un sou?