Ferópodes não ajudarão: pesquisa e modelagem matemática de armadilhas para larvas de leões-formigas

O pesquisador, hipnotizado pela grandiosidade e beleza do mundo fora de sua cidade, pela vontade do destino, encontra-se em lugares onde nunca esteve antes. Ferido e exausto, ele procura o caminho de casa, encontrando-se no caminho sem transeuntes e desinteressados, prontos para assistir com reverência a morte de outro. Não está pronto para suportar essa injustiça social, ele intervém e salva uma criatura desconhecida das mandíbulas vorazes de um monstro terrível. Essa criatura é pequena, mas com um grande coração, oferece a ele sua ajuda em resposta à salvação. E o monstro guloso, ironicamente, se torna presa de uma criatura ainda maior, diante da qual todo mundo treme sem exceção.

Parece o começo de um filme de aventura em Hollywood, mas na verdade é a Jornada de Ant (1983), um maravilhoso desenho animado que há muito tempo é desmontado entre aspas. A formiga resgata o booger ("Eu ouvi do booger!") De uma armadilha feita por uma criatura muito ocupada - o leão formiga. E hoje falaremos especificamente sobre eles, e mais precisamente sobre como os biólogos, em colaboração com os físicos, conduziram um estudo da estrutura das armadilhas para leões-formigas. Por que essas armadilhas não podem ser chamadas de fossas simples, como as larvas dos leões de formigas as fazem, e quais são os parâmetros exatos desses prédios mortais? Encontraremos as respostas mais interessantes para essas e outras perguntas no relatório dos cientistas. Vamos lá

Ferramentas, arquitetura e poços da morte

Os cientistas que decidem conduzir este estudo argumentam que o uso de ferramentas para animais é superestimado. E essa afirmação não pode ser considerada irracional. Por exemplo, os chimpanzés usam ferramentas para extração de alimentos em apenas 1% dos casos. Prédios que várias criaturas usam continuamente, incluindo ninhos e armadilhas para capturar presas, merecem muito mais atenção.


Fazer armadilhas é difícil, mas comum, mas pontes de seda através dos rios são um nível de habilidade completamente diferente.

Construir armadilhas não é a habilidade mais popular entre os habitantes do nosso planeta. Entre os vertebrados, apenas os seres humanos possuem essa habilidade. Entre os invertebrados, as aranhas e suas redes são as primeiras a se lembrar, cuja complexidade, variedade e precisão matemática são surpreendentes. Naturalmente, nossos amigos de oito patas não são os únicos que usam seda produzida por seus próprios corpos como materiais de construção. Além de 10.000 espécies de aranhas, 2000 larvas de espécies de caddis também usam seda, assim como larvas de 4 espécies de Arachnocampa do gênero mosquito cogumelo.

Mas a construção de armadilhas sem o uso de seda é comum apenas entre várias centenas de espécies de formigas e um pequeno número de espécies de minhocas. Um desses construtores é a larva do leão-formiga.


Um leão adulto da formiga que joga peepers com um fotógrafo.

O leão-formiga não é uma quimera mítica ou a criação de um escritor de ficção científica, é uma família de insetos que se parecem muito com libélulas. Mas eles receberam seu nome não-padrão pela aparência e hábitos das larvas.


Rosto "fofo" de uma larva de leão-formiga.

As larvas dos leões-formigas se apresentam de duas formas, dependendo do seu comportamento. Alguns vivem na areia e perseguem suas presas, por assim dizer, caçam de maneira clássica. Outros, com paciência e habilidades arquitetônicas, constroem poços na areia com até 5 cm de profundidade e cerca de 8 cm de diâmetro.A própria larva está enterrada no centro de sua armadilha, deixando apenas suas mandíbulas maciças e muito fortes na superfície. A vítima, geralmente uma formiga, tendo a imprudência de pisar na borda da fossa, começa a deslizar para a sua morte inevitável. Agarrando a presa, a larva do leão formiga injeta enzimas digestivas em seu corpo e literalmente bebe a vítima, jogando seu exoesqueleto de quitina devastado para fora da armadilha.


A larva de um leão-formiga.

Se a presa for dolorosamente rápida e enérgica e tentar sair da armadilha, a larva começará a atirar grãos de areia nela, o que pode derrubar a vítima. Da mesma forma, literalmente trabalhando a cabeça, as larvas de formigas-leões constroem suas armadilhas. E foi o processo de construção que interessou aos cientistas. A areia é muito heterogênea e consiste em grãos de areia de diferentes tamanhos e, consequentemente, peso (como flocos de neve, por exemplo). As larvas dos leões-formigas se formam em espiral, classificando os grãos de areia em uma ordem específica. Como e por que - essas são perguntas para as quais os cientistas decidiram encontrar respostas.

Base de estudo

Os cientistas decidiram realizar observações sob condições controladas, usando grãos de areia de três tamanhos específicos e um anel de papel, necessário para determinar o tamanho dos grãos ejetados, o diâmetro da armadilha e outras medidas.


Imagem nº 1: - a aparência do poço da armadilha da larva do leão-formiga (foto tirada na Ilha Guernsey); b - imagem do raio de ejeção dos grãos, dependendo do tamanho e peso; c - imagem bidimensional da trajetória em espiral da construção da armadilha do poço: d - instantâneo da borda da armadilha do experimento (podemos ver uma clara separação / classificação de grânulos); e é um modelo de poço de armadilha que leva em consideração a regra de Hele-Shaw.

Os sujeitos experimentais foram 16 larvas de leões da espécie Euroleon nostras, que foram retiradas da natureza (sudeste de Guernsey). Os cientistas observam uma observação surpreendente: os poços dessas larvas estavam localizados sob sebes, ou seja, em arbustos, e não em espaços abertos de areia, como é geralmente o caso. Esta é provavelmente uma tentativa de usar arbustos como proteção contra chuva. Além disso, os cientistas notaram que as larvas construíam armadilhas exclusivamente em locais onde havia um mínimo de detritos (folhas caídas, galhos etc.). Somente essas observações são suficientes para fazer uma conclusão preliminar sobre a escolha não aleatória do local da construção do poço da armadilha.

Os pesquisadores prepararam uma mistura de areia de teste de areia natural de prata seca das praias de Guernsey, grãos de sílica preta (1-2 mm, média de 0,0078 g) e grãos de sílica azul (1,5-3 mm, média de 0,028 g). Vasos de flores com altura de 14 cm e profundidade de 12 cm foram utilizados como locais de construção.Cada um dos componentes do edifício foi colocado em um vaso em uma determinada ordem: baseou-se em uma camada de 7 cm de areia natural e depois no meio do vaso (2,5 cm da borda superior) uma camada de um de 4 misturas de 20 a 30% de grãos grandes (sílica preta ou azul) e 80 a 70% de areia natural. De cima, tudo foi coberto com um anel de papel, necessário para as medições, com um diâmetro de 12,6 cm (furo - 4 cm).

Todas as larvas foram colocadas no centro dos vasos de flores. A maioria das larvas já começou a construção durante a primeira hora de observação. E após cerca de dois dias, cada uma das larvas construiu para si uma armadilha com um diâmetro de 12 a 23 mm. Os cientistas coletaram todos os grãos que as larvas jogaram fora durante a construção (eles estavam em um anel de papel) e peneiraram para a triagem. A localização dos grãos coloridos descartados em um anel de papel foi anotada manualmente por meio de fotografias. Os cientistas não queriam usar métodos automatizados para obter resultados mais precisos.

Resultados da observação

Imagem No. 2: resultados de observação de laboratório.

Como pode ser visto no gráfico 2a, as larvas preferiam se livrar de grãos maiores. Partículas de sílica azul e preta foram jogadas fora 1,3 vezes mais do que na mistura. Os cientistas também notaram que, com um aumento no tamanho do poço, o número de grãos grandes em suas paredes diminuía ( 2c e 2d ). Tal observação pode ser devida ao fato de que pequenos poços não podem contribuir para estratificação suficiente. Ou seja, a convergência de grânulos (como uma avalanche) quando a vítima entra em um poço é muito mais provável com um volume maior do próprio poço. Além disso, grãos menores são um fator concomitante, uma vez que eles têm um ângulo de repouso menor, portanto é mais provável que escorregue.

Simplificando, grãos pequenos são importantes para as larvas de formigas-leões, porque às suas custas as presas provavelmente deslizarão para picadas de fome e não sairão com as palavras "fuh, realizadas". Acontece que as larvas constroem poços sem pensar, mas conscientemente classificando materiais de construção, garantindo a máxima eficiência da futura construção.

Observações são observações, mas, para uma compreensão completa da arquitetura das armadilhas dos leões-formigas, os cientistas decidiram ver como seria o modelo computacional desse edifício.

Modelagem de escavação em espiral

Antes de tudo, os cientistas observam que as larvas dos leões de formigas não constroem suas armadilhas como outros "escavadores". O processo de escavação ocorre em espiral, e não na vertical. E a modelagem matemática pode revelar os segredos desse processo.

Na criação do modelo, foram utilizados trabalhos anteriores sobre auto-organização em mídia granular. Os cientistas consideraram uma mistura de pequenos e grandes grânulos (grãos) como uma rede unidimensional com os nós i = 1,2, ..., L, representando uma seção transversal de um poço experimental real. Partículas pequenas em volume e altura são 1 e partículas grandes são 2. Assim, a altura no nó i, hi é calculada a partir da soma de partículas pequenas e grandes no nó, onde as inclinações locais de cada lado são iguais a z _i ^Esquerda = h _i - h _{i -1} e z _i ^Direita = h _i - h _{i + 1} .

Um deslizamento de terra só ocorrerá se a média aritmética dos grânulos da inclinação local exceder a marca crítica. Também é óbvio que os grãos grandes serão mais estáveis ​​com uma inclinação mais íngreme do que os pequenos. Por sua vez, grãos pequenos localizados em grãos grandes são mais estáveis ​​do que grãos grandes em grãos pequenos. Essa condição é necessária para explicar a estratificação no modelo matemático.

Um grão pode rolar para a esquerda / direita se a inclinação local na direção correspondente exceder a marca crítica, z _i ^c . Se z _i ^Esquerda e z _i ^Direita excederem o valor crítico, o grânulo irá rolar na direção da inclinação mais íngreme ou em uma direção aleatória se z _i ^Esquerda = z _i ^Direita ﹥ z _i ^c .

A determinação do poder (tamanho) de um deslizamento de terra é o número total de quedas de pellets no poço durante um determinado período de tempo ( t ). Quanto ao peso, é determinado pelo tamanho dos próprios grânulos: os grandes contribuem 2 para o indicador total e os pequenos - 1. Assim, todos os grânulos que participam do deslizamento de terra são levados em consideração: os iniciais e os que foram capturados pelo fluxo durante o movimento.


Imagem No. 3: o resultado do modelo espiral em t = 700 e o raio inicial r = 25. Os grãos pequenos são marcados em azul, os grãos grandes em vermelho e uma mistura de ambos em branco, dado que os grãos grandes não ultrapassam 25%.

No estado inicial, os modelos de partículas são adicionados aleatoriamente em tamanho enquanto h _i = H ou H + 1, dada a condição de que 25% do número total de partículas é precisamente grande. As dimensões da “janela de remoção / ejeção” foram definidas como 5x5 (largura em profundidade), de acordo com o fato de que os leões se projetam em cada etapa do processo de cavar um buraco. Essa "janela" estava centralizada em um nó específico da rede, que pode ser deslocado de acordo com o caminho espiral da escavação. O programa pode jogar grãos quantos forem desejados até que seja alcançado um estado estável das paredes da armadilha simulada.

Os cientistas, usando a aproximação de Stokes e a segunda lei de Newton, derivaram uma fórmula para a trajetória de partículas ejetadas:



v _x e v _y são os componentes horizontais e verticais da velocidade das partículas;
g é aceleração gravitacional;
⍺ = g / v _T é o coeficiente de resistência da forma, em que v _T é a velocidade final das partículas: 150 cm / s para partículas pequenas e 1000 cm / s para grandes.

A velocidade inicial com a qual as partículas são ejetadas é a seguinte: v ₀ = (70 + δv) cm / s. E a direção do arremesso: θ ₀ = (50 + δθ) °.

O raio inicial do poço ( r ) é 25. O modelo realiza o processo de escavação em cada nó 4 vezes, o que garante a remoção da maioria dos grãos. A espiral atinge o centro após 8r etapas e a conclusão do poço ocorre quando o número de grãos grandes na “janela de remoção” cai abaixo de um nível crítico.

Para entender a eficácia do método em espiral de formar armadilhas, os cientistas compararam o modelo acima com três modelos com escavação centralizada: um modelo sem redistribuição de grãos (eles são simplesmente removidos no processo), um modelo sem resistência de grãos (as trajetórias de grãos pequenos e grandes são as mesmas neste caso), o modelo com considerando resistência.

Resultados da simulação

Imagem No. 4: resultados da simulação.

O primeiro indicador a comparar em modelos e observação real é o número de grãos grandes removidos. No modelo espiral de partículas grandes após a conclusão da escavação, tornou-se 1,4 vezes menor do que na mistura original. Cabe ressaltar que modelos centralizados com / sem resistência apresentaram decréscimo de apenas 1,05 vezes. Consequentemente, os resultados de um modelo em espiral estão correlacionados com observações reais, o que confirma os cálculos da proporcionalidade de grãos grandes e pequenos na construção de armadilhas.

O raio do poço simulado foi de 30 unidades, o que, quando levado em consideração o dimensionamento, é quase idêntico aos resultados de larvas observadas em um experimento de laboratório - 18 mm. Vale a pena observar os raios médios observados nos quais a remoção de grãos grandes é muito acelerada para atingir um raio maior do poço (pule no gráfico 4c ).

Após a conclusão da construção, as paredes das armadilhas das larvas são quase completamente cobertas com pequenos grãos. Isso foi observado em todos os modelos, mas apenas em espiral esse processo foi mais rápido.


Uma tabela comparando o desempenho de vários modelos descritos acima. Como vemos, foram as versões em espiral dos modelos que provaram ser as mais eficazes.

A relação entre o raio inicial (r ≈18), para o qual o tempo de conclusão é minimizado (forte declínio no gráfico 4d ) e o raio final do poço previsto pelo modelo é 0,60.

Se falamos sobre o custo do tempo, então aqui o método espiral de escavação é melhor que outros. Com um raio inicial de 25 para o modelo espiral, demorou metade do tempo para concluir o poço do que outros modelos. Uma comparação dos dados mostrou que o modelo espiral reduz o tempo para concluir as cavidades em 60% com um diâmetro finito na faixa de 10 ... 42 unidades, ou seja, 6-25 mm na realidade, o que foi confirmado pelos resultados de observações em um experimento de laboratório.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo fortemente que você analise o relatório do grupo de pesquisa .

Epílogo

Às vezes, observando um inseto, você pensa sobre o que está na mente dessa pequena criatura. Ele entende como o mundo funciona, está ciente dos processos físicos que o cercam, os utiliza? Este estudo pode não responder à pergunta “está ciente?”, Mas responde mais do que afirmativamente à pergunta “está usando?”.

Cavar um buraco é fácil, pelo menos à primeira vista. No entanto, a armadilha deve ser o mais eficiente possível, porque a vida da pessoa que a construiu depende do seu sucesso. Se as larvas dos leões não usassem um modelo espiral de escavação, se os grãos de areia não fossem separados, eles não seriam capazes de se alimentar tão facilmente.

Embora larvas de leões-formigas sejam terríveis predadores com ferrões grandes, eles preferem usar sua inteligência como a principal e mais eficaz arma na luta pela vida nas condições adversas da natureza. É verdade que, sem as picadas enormes e as entranhas dissolvidas da vítima, o veneno teria sido mais difícil para elas.




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