Feropoda tidak akan membantu: penelitian dan pemodelan matematis dari perangkap lubang untuk larva singa semut

Peneliti, yang terpesona oleh kemegahan dan keindahan dunia di luar kotanya, oleh kehendak takdir menemukan dirinya di tempat-tempat di mana dia belum pernah sebelumnya. Terluka dan kelelahan, ia mencari jalan pulang, bertemu di jalan tanpa jiwa dan orang-orang yang lewat, siap untuk menyaksikan kematian orang lain dengan penuh hormat. Tidak siap menghadapi ketidakadilan sosial seperti itu, ia mengintervensi dan menyelamatkan makhluk tak dikenal dari rahang rakus monster yang rakus. Makhluk ini kecil, tetapi dengan hati yang besar, menawarkan bantuan kepadanya dalam menanggapi keselamatan. Dan ironisnya, monster rakus menjadi mangsa makhluk yang bahkan lebih besar, yang sebelumnya semua orang gemetar tanpa kecuali.

Kedengarannya seperti awal dari beberapa film petualangan Hollywood, tetapi sebenarnya itu adalah Ant's Journey (1983) - kartun yang indah yang telah lama dibongkar menjadi kutipan. Semut menyelamatkan booger (“Saya mendengar dari booger!”) Dari perangkap yang dibuat oleh satu makhluk yang sangat sibuk - singa semut. Dan hari ini kita akan berbicara secara khusus tentang mereka, dan lebih tepatnya tentang bagaimana ahli biologi, bekerja sama dengan fisikawan, melakukan studi tentang struktur perangkap semut. Mengapa perangkap seperti itu tidak bisa disebut lubang sederhana, seperti larva singa semut membuatnya, dan apa parameter yang tepat dari bangunan mematikan ini? Kami akan menemukan jawaban yang paling menarik untuk ini dan pertanyaan lain dalam laporan para ilmuwan. Ayo pergi.

Alat, arsitektur, dan lubang kematian

Para ilmuwan yang memutuskan untuk melakukan penelitian ini berpendapat bahwa penggunaan alat-alat hewani sangat berlebihan. Dan pernyataan ini tidak bisa disebut tidak masuk akal. Misalnya, simpanse menggunakan alat untuk ekstraksi makanan hanya dalam 1% kasus. Bangunan yang digunakan berbagai makhluk secara terus-menerus, termasuk sarang dan perangkap untuk menangkap mangsa, patut mendapat perhatian lebih.


Membuat jebakan web itu sulit, tetapi umum, tetapi jembatan sutera melintasi sungai adalah tingkat keterampilan yang sama sekali berbeda.

Membangun perangkap bukanlah keterampilan yang paling populer di antara penghuni planet kita. Di antara vertebrata, hanya manusia yang memiliki keterampilan ini. Dan di antara invertebrata, laba-laba dan jaringannya adalah yang pertama kali muncul dalam pikiran, kompleksitas, variasi, dan akurasi matematisnya luar biasa. Tentu saja, teman berkaki delapan kami bukan satu-satunya yang menggunakan sutra yang diproduksi oleh tubuh mereka sendiri sebagai bahan bangunan. Selain 10.000 spesies laba-laba, 2000 larva spesies caddis juga menggunakan sutra, serta larva 4 spesies Arachnocampa dari genus nyamuk jamur.

Tetapi pembangunan perangkap tanpa menggunakan sutra hanya umum di antara beberapa ratus spesies semut dan sejumlah kecil spesies cacing. Salah satu pembangun ini adalah larva semut singa.


Singa semut dewasa bermain kacamata dengan seorang fotografer.

Singa semut bukan chimera mitos atau gagasan dari penulis fiksi ilmiah, melainkan keluarga serangga yang sangat mirip capung. Tetapi mereka menerima nama non-standar mereka untuk penampilan dan kebiasaan larva.


Wajah imut dari seekor singa jantan.

Larva singa semut datang dalam dua bentuk, tergantung pada perilaku mereka. Beberapa tinggal di pasir dan mengejar mangsanya, sehingga mereka berburu dengan cara klasik. Lainnya, memiliki kesabaran dan keterampilan arsitektur, membangun lubang di pasir hingga 5 cm dan diameter sekitar 8 cm.Larva itu sendiri dimakamkan di tengah perangkapnya, hanya menyisakan rahang yang besar dan sangat kuat di permukaan. Korban, biasanya seekor semut, yang memiliki kelalaian untuk melangkah di ujung fossa, mulai meluncur ke bawah menuju kematiannya yang tak terelakkan. Meraih mangsa, larva singa semut menyuntikkan enzim pencernaan ke dalam tubuhnya dan secara harfiah meminum korban, melemparkan exoskeleton chitinnya yang hancur di luar perangkap.


Larva seekor singa semut.

Jika mangsa ternyata sangat cepat dan energik dan berusaha keluar dari perangkap, larva mulai melemparkan butiran pasir ke arahnya, yang dapat menjatuhkan korban. Dengan cara yang sama, secara harfiah menggerakkan kepala mereka, larva semut singa membangun perangkap mereka. Dan itu adalah proses pembangunan yang menarik perhatian para ilmuwan. Pasirnya sangat heterogen dan terdiri dari butiran pasir (butiran) dengan ukuran berbeda dan, karenanya, berat (seperti kepingan salju, misalnya). Larva singa semut membangun spiral, memilah butiran pasir dalam urutan tertentu. Bagaimana dan mengapa - ini adalah pertanyaan yang telah diputuskan oleh para ilmuwan untuk ditemukan jawabannya.

Dasar studi

Para ilmuwan memutuskan untuk melakukan pengamatan dalam kondisi terkontrol menggunakan butiran pasir dari tiga ukuran spesifik dan cincin kertas, yang diperlukan untuk menentukan ukuran partikel terlontar, diameter perangkap dan pengukuran lainnya.


Gambar No. 1: a - penampilan lubang perangkap larva singa semut (foto diambil di Pulau Guernsey); b - gambar jari-jari ejeksi butir, tergantung pada ukuran dan beratnya; c - gambar dua dimensi lintasan spiral dari konstruksi perangkap-perangkap: d - potret tepi perangkap-perangkap dari percobaan (kita dapat melihat pemisahan / pemilahan butiran butiran yang jelas); e adalah model lubang perangkap yang memperhitungkan aturan Hele-Shaw.

Subjek percobaan adalah 16 larva singa semut dari spesies Euroleon nostras, yang diambil dari alam (tenggara Guernsey). Para ilmuwan mencatat pengamatan yang luar biasa: lubang-lubang larva ini terletak di bawah pagar tanaman, mis. di semak-semak, dan tidak di ruang berpasir terbuka, seperti biasanya terjadi. Ini mungkin upaya untuk menggunakan semak sebagai perlindungan terhadap hujan. Selain itu, para ilmuwan memperhatikan bahwa larva membangun perangkap secara eksklusif di tempat-tempat di mana ada serpihan minimum (daun jatuh, cabang, dll.). Pengamatan ini saja sudah cukup untuk membuat kesimpulan awal tentang pilihan nonrandom dari lokasi konstruksi lubang perangkap.

Para peneliti menyiapkan campuran pasir uji dari pasir perak kering alami dari pantai Guernsey, butiran silika hitam (1-2 mm, rata-rata 0,0078 g) dan butiran silika biru (1,5-3 mm, rata-rata 0,028 g). Pot bunga dengan ketinggian 14 cm dan kedalaman 12 cm digunakan sebagai lokasi konstruksi. Masing-masing komponen bangunan ditempatkan dalam pot dalam urutan tertentu: didasarkan pada lapisan pasir alami 7 cm, kemudian ke tengah pot (2,5 cm dari tepi atas) satu lapisan dari 4 campuran 20-30% butiran besar (silika hitam atau biru) dan 80-70% pasir alami. Dari atas, semuanya ditutupi dengan cincin kertas, diperlukan untuk pengukuran, dengan diameter 12,6 cm (lubang - 4 cm).

Semua larva ditempatkan di tengah pot bunga. Sebagian besar larva sudah mulai konstruksi selama jam pertama pengamatan. Dan setelah sekitar dua hari, masing-masing larva membangun sendiri lubang perangkap dengan diameter 12 hingga 23 mm. Para ilmuwan mengumpulkan semua biji-bijian yang dibuang oleh larva selama konstruksi (mereka berada di atas cincin kertas) dan diayak untuk disortir. Lokasi butiran berwarna yang dibuang pada cincin kertas dicatat secara manual melalui foto. Para ilmuwan tidak ingin menggunakan metode otomatis untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat.

Hasil Pengamatan

Gambar No. 2: hasil observasi laboratorium.

Seperti dapat dilihat dari grafik 2a, larva lebih suka menyingkirkan biji yang lebih besar. Partikel-partikel silika biru dan hitam dibuang 1,3 kali lebih banyak daripada yang ada dalam campuran. Para ilmuwan juga memperhatikan bahwa dengan peningkatan ukuran lubang, jumlah butiran besar di dindingnya berkurang ( 2c dan 2d ). Pengamatan seperti itu mungkin disebabkan oleh fakta bahwa lubang kecil tidak dapat berkontribusi pada stratifikasi yang memadai. Artinya, konvergensi butiran (seperti longsoran salju) ketika korban memasuki lubang jauh lebih mungkin dengan volume lubang yang lebih besar itu sendiri. Selain itu, butiran yang lebih kecil adalah faktor yang bersamaan, karena mereka memiliki sudut istirahat yang lebih kecil, sehingga kemungkinan tergelincir lebih besar.

Sederhananya, biji-bijian kecil penting bagi larva semut singa, karena dengan biaya mereka mangsa kemungkinan besar akan meluncur ke sengatan lapar, dan tidak akan keluar dengan kata-kata "fuh, dibawa melalui." Ternyata larva membangun lubang tidak sembarangan, tetapi cukup sadar memilah bahan bangunan, memastikan efisiensi maksimum dari konstruksi masa depan.

Pengamatan adalah pengamatan, tetapi untuk pemahaman lengkap tentang arsitektur perangkap semut, para ilmuwan memutuskan untuk melihat seperti apa model komputasi bangunan ini nantinya.

Pemodelan Penggalian Spiral

Pertama-tama, para ilmuwan mencatat bahwa larva singa semut tidak membangun perangkap mereka seperti yang dilakukan "penggali" lainnya. Proses penggalian terjadi secara spiral, dan tidak secara vertikal. Dan pemodelan matematika dapat mengungkapkan rahasia proses ini.

Dalam menciptakan model, karya sebelumnya tentang swadaya dalam media granular digunakan. Para ilmuwan menganggap campuran butiran kecil dan besar (biji-bijian) sebagai kisi satu dimensi dengan simpul i = 1,2, ..., L, yang mewakili potongan melintang dari sumur eksperimen nyata. Partikel kecil dalam volume dan tinggi adalah 1, dan partikel besar adalah 2. Dengan demikian, tinggi pada simpul i, hai dihitung dari jumlah partikel kecil dan besar pada simpul, di mana kemiringan lokal pada setiap sisi sama dengan z _i ^Kiri = h _i - h _{i -1} dan z _i ^Kanan = h _i - h _{i + 1} .

Tanah longsor akan terjadi hanya jika rata-rata aritmatika dari butiran lereng lokal melebihi tanda kritis. Juga jelas bahwa butiran besar akan lebih stabil dengan kemiringan yang lebih curam daripada yang kecil. Pada gilirannya, butiran kecil yang terletak pada yang besar lebih stabil daripada yang besar pada yang kecil. Kondisi ini diperlukan untuk menjelaskan stratifikasi dalam model matematika.

Butir dapat berguling ke kiri / kanan jika kemiringan lokal pada arah yang sesuai melebihi tanda kritis, z _i ^c . Jika z _i ^Kiri dan z _i ^Kanan melebihi indikator kritis, maka granul akan berguling ke arah kemiringan paling curam atau dalam arah acak, jika z _i ^Kiri = z _i ^Kanan ﹥ z _i ^c .

Penentuan kekuatan (ukuran) tanah longsor adalah jumlah total pelet yang jatuh di pit selama periode waktu tertentu ( t ). Adapun berat, ditentukan oleh ukuran butiran itu sendiri: yang besar berkontribusi 2 terhadap total indikator, dan yang kecil - 1. Dengan demikian, semua butiran yang berpartisipasi dalam tanah longsor diperhitungkan: yang awal dan yang ditangkap oleh aliran selama pergerakan.


Gambar No. 3: hasil model spiral pada t = 700 dan jari-jari awal r = 25. Butir kecil ditandai dengan warna biru, butiran besar berwarna merah, dan campuran keduanya berwarna putih, mengingat bahwa butir besar tidak lebih dari 25%.

Dalam keadaan awal, model partikel ditambahkan secara acak dalam ukuran sementara h _i = H atau H + 1, mengingat kondisi bahwa 25% dari total jumlah partikel justru besar. Dimensi "jendela penghilangan / pengeluaran" ditetapkan sebagai 5x5 (lebar ke kedalaman) sesuai dengan fakta bahwa singa semut dibuang pada setiap langkah proses penggalian lubang. "Jendela" ini dipusatkan pada simpul khusus kisi, yang dapat digeser sesuai dengan jalur spiral penggalian. Program ini dapat membuang butiran sebanyak yang diinginkan sampai keadaan stabil dari dinding perangkap pit yang disimulasikan tercapai.

Para ilmuwan, menggunakan perkiraan Stokes dan hukum kedua Newton, menghasilkan formula untuk lintasan partikel terlontar:



v _x dan v _y adalah komponen horisontal dan vertikal dari kecepatan partikel;
g adalah percepatan gravitasi;
⍺ = g / v _T adalah koefisien tahanan bentuk, di mana v _T adalah kecepatan partikel akhir: 150 cm / s untuk partikel kecil dan 1000 cm / s untuk besar.

Kecepatan awal dikeluarkannya partikel adalah sebagai berikut: v ₀ = (70 + δv) cm / s. Dan arah lemparan: θ ₀ = (50 + δθ) °.

Jari-jari awal lubang ( r ) adalah 25. Model melakukan proses penggalian di setiap node 4 kali, yang memastikan helitas pemindahan sebagian besar butir. Spiral mencapai pusat setelah langkah 8r, dan penyelesaian lubang terjadi ketika jumlah butir besar di "jendela penghapusan" jatuh di bawah level kritis.

Untuk memahami keefektifan metode spiral dalam membentuk lubang perangkap, para ilmuwan membandingkan model di atas dengan tiga model dengan penggalian terpusat: sebuah model tanpa redistribusi butiran (mereka hanya dihilangkan dalam proses), model tanpa resistensi butir (lintasan butir kecil dan besar adalah sama dalam kasus ini), model dengan mempertimbangkan resistensi.

Hasil simulasi

Gambar No. 4: hasil simulasi.

Indikator pertama yang dibandingkan dalam model dan pengamatan nyata adalah jumlah butir besar yang dihilangkan. Dalam model spiral partikel besar setelah selesai menggali, itu menjadi 1,4 kali lebih kecil dari pada campuran aslinya. Perlu dicatat bahwa model terpusat dengan / tanpa hambatan menunjukkan penurunan hanya 1,05 kali. Dengan demikian, hasil model spiral berkorelasi dengan pengamatan nyata, yang mengkonfirmasi perhitungan proporsionalitas butir besar dan kecil dalam konstruksi perangkap lubang.

Jari-jari sumur yang disimulasikan adalah 30 unit, yang, ketika penskalaan diperhitungkan, hampir identik dengan hasil larva yang diamati dalam percobaan laboratorium - 18 mm. Perlu dicatat radius rata-rata yang diamati di mana penghilangan butiran besar sangat dipercepat untuk mencapai radius lubang yang lebih besar (lompat pada grafik 4c ).

Setelah konstruksi selesai, dinding lubang perangkap larva hampir sepenuhnya ditutupi dengan butiran kecil. Ini diamati pada semua model, tetapi hanya dalam spiral proses ini lebih cepat.


Tabel yang membandingkan kinerja berbagai model yang dijelaskan di atas. Seperti yang kita lihat, itu adalah versi spiral dari model yang terbukti paling efektif.

Rasio antara jari-jari awal (r ≈18), di mana waktu penyelesaian diminimalkan (penurunan kuat pada grafik 4d ), dan jari-jari akhir sumur, diprediksi oleh model, adalah 0,60.

Jika kita berbicara tentang biaya waktu, maka di sini metode penggalian spiral lebih baik daripada yang lain. Dengan radius awal 25 untuk model spiral, butuh separuh waktu untuk menyelesaikan lubang daripada model lainnya. Perbandingan data menunjukkan bahwa model spiral mengurangi waktu untuk menyelesaikan lubang sebesar 60% dengan diameter terbatas pada kisaran 10 ... 42 unit, yaitu. 6-25 mm pada kenyataannya, yang dikonfirmasi oleh hasil pengamatan dalam percobaan laboratorium.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian, saya sangat menyarankan Anda melihat laporan kelompok riset .

Epilog

Terkadang, mengamati seekor serangga, Anda berpikir tentang apa yang ada dalam pikiran makhluk kecil ini. Apakah ia mengerti bagaimana dunia bekerja, apakah ia sadar akan proses fisik yang mengelilinginya, apakah ia menggunakannya? Penelitian ini mungkin tidak menjawab pertanyaan “apakah sadar?”, Tetapi lebih dari menjawab dengan tegas pertanyaan “apakah itu menggunakan?”.

Menggali lubang itu mudah, setidaknya pada pandangan pertama. Namun, jebakan harus seefisien mungkin, karena kehidupan orang yang membangunnya tergantung pada keberhasilannya. Jika larva semut singa tidak menggunakan model penggalian spiral, jika butiran pasir tidak disortir, maka mereka tidak akan bisa makan dengan mudah.

Meskipun larva singa semut adalah predator yang mengerikan dengan penyengat besar, mereka lebih suka menggunakan kecerdasan mereka sebagai senjata utama dan paling efektif dalam perjuangan untuk hidup dalam kondisi keras di alam liar. Benar, tanpa sengatan besar dan isi perut korban, racun itu akan lebih sulit bagi mereka.




Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga musim panas gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?