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Video: Wie Feuerameisen Riesige Flöße Bilden, Um Überschwemmungen Zu überleben
Sie können auch Türme mit einer Höhe von bis zu 30 Ameisen bilden.
Der folgende Aufsatz wurde mit Genehmigung von The Conversation, einer Online-Publikation mit den neuesten Forschungsergebnissen, abgedruckt.
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Lassen Sie einen Klumpen von 100.000 Feuerameisen in einen Wasserteich fallen - oder überfluten Sie ein riesiges Gebiet in Texas, das von Feuerameisen befallen ist, und vertreiben Sie sie in großen Gruppen aus ihren Nestern. In wenigen Minuten wird der Klumpen abgeflacht und sich zu einem kreisförmigen Pfannkuchen ausgebreitet, der wochenlang schwimmen kann, ohne die Ameisen zu ertrinken.
Lassen Sie den gleichen Ameisenhaufen in der Nähe einer Pflanze auf festen Boden fallen.
Sie klettern aufeinander und bilden eine feste Masse um den Pflanzenstamm in Form des Eiffelturms - manchmal bis zu 30 Ameisen hoch. Der Ameisenturm dient als temporäres Lager, das Regentropfen abwehrt.
Wie und warum machen die Ameisen diese symmetrischen, aber sehr unterschiedlichen Formen? Sie sind auf Berührung und Geruch angewiesen - nicht auf das Sehen -, um die Welt wahrzunehmen, sodass sie nur das spüren können, was ihnen sehr nahe steht. Entgegen der landläufigen Meinung erteilt die Königin der Kolonie keine Befehle. Sie verbringt ihr Leben damit, Eier zu legen. Jede Ameise kontrolliert sich selbst anhand von Informationen aus ihrer unmittelbaren Umgebung.
Als Systemingenieur und Biologe bin ich fasziniert von der Effektivität der Ameisenkolonie bei verschiedenen Aufgaben wie Nahrungssuche, Schwimmen auf dem Wasser, Kampf gegen andere Ameisen und Bau von Türmen und unterirdischen Nestern - alles von Tausenden purblinden Kreaturen, deren Gehirn haben weniger als ein Zehntausendstel so viele Neuronen wie ein Mensch.
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In früheren Forschungen haben mein Kollege David Hu und ich untersucht, wie diese winzigen Kreaturen ihren Körper zu wasserabweisenden Rettungsflößen verweben, die wochenlang auf Hochwasser schwimmen. (Dies geschah nicht, nachdem Katrina 2005 New Orleans überflutet hatte, weil die Sturmflut und der Einsturz des Deichs so schnell auftraten, dass die Ameisen ihren Nestern nicht entkommen konnten und ertranken. Harveys Überschwemmungen resultierten aus Regen über einen viel längeren Zeitraum.)
Jetzt wollten wir verstehen, wie sich dieselben Ameisen zu einer völlig anderen Struktur an Land zusammenschließen - einem Turm aus bis zu Hunderttausenden lebender Feuerameisen.
Wie unterstützend sind Feuerameisen?
Die Hälfte der Ameisen hier in Georgia sind Feuerameisen, Solenopsis invicta. Um unsere Laborpersonen zu sammeln, gießen wir langsam Wasser in ein unterirdisches Nest und zwingen die Ameisen an die Oberfläche. Dann fangen wir sie ein, bringen sie ins Labor und bewahren sie in Behältern auf. Nach einigen schmerzhaften Bissen lernten wir, die Mülleimer mit Babypuder zu füllen, um ihr Entkommen zu verhindern.
Um ihren Turmbau auszulösen, legten wir einen Ameisenhaufen in eine Petrischale und simulierten einen Pflanzenstamm mit einer kleinen vertikalen Stange in der Mitte. Das erste, was wir an ihrem Turm bemerkten, war, dass er oben immer schmal und unten breit war, wie die Trompetenglocke. Ein Haufen toter Ameisen ist konisch. Warum die Glockenform?
Unsere erste Vermutung, dass mehr Ameisen nach unten benötigt wurden, um mehr Gewicht zu tragen, erwies sich als richtig. Um genau zu sein, haben wir angenommen, dass jede Ameise bereit ist, das Gewicht einer bestimmten Anzahl anderer Ameisen zu tragen, aber nicht mehr.
Aus dieser Hypothese haben wir eine mathematische Formel abgeleitet, die die Breite des Turms als Funktion der Höhe vorhersagt. Nachdem wir Türme gemessen hatten, die aus einer unterschiedlichen Anzahl von Ameisen bestanden, bestätigten wir unser Modell: Ameisen waren bereit, das Gewicht von drei ihrer Brüder zu tragen - aber nicht mehr. Die Anzahl der in einer Schicht benötigten Ameisen musste also dieselbe sein wie in der nächsten Schicht (um das Gewicht aller Ameisen über der nächsten Schicht zu tragen), plus ein Drittel der Anzahl in der nächsten Schicht (um die nächste Schicht zu tragen) Schicht).
Später erfuhren wir, dass der Architekt Gustave Eiffel für seinen berühmten Turm das gleiche Prinzip der gleichen Tragfähigkeit verwendete.
Ring um die Stange
Als nächstes fragten wir, wie Feuerameisen den Turm bauen. Natürlich machen sie nicht die Mathematik, die ihnen sagt, wie viele Ameisen wohin müssen, um diese unverwechselbare Form zu schaffen. Und warum brauchen sie 10 bis 20 Minuten anstatt nur ein oder zwei Minuten, um ein Floß zu bauen? Wir brauchten sieben Versuchshypothesen über zwei frustrierende Jahre, um zu antworten.
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Obwohl wir uns einen Turm aus horizontalen Schichten vorstellen, bauen die Ameisen den Turm nicht, indem sie die untere Schicht vervollständigen und jeweils eine vollständige Schicht hinzufügen. Sie können nicht im Voraus „wissen“, wie breit die untere Schicht sein muss. Sie können nicht zählen, wie viele Ameisen es gibt, geschweige denn, um die Breite einer Schicht zu messen oder die erforderliche Breite zu berechnen.
Stattdessen werden Ameisen, die auf der Oberfläche herum huschen, befestigt und verdicken dadurch den Turm in allen Schichten. Die oberste Schicht wird immer auf der zuvor obersten Schicht gebildet. Da es das engste ist, besteht es aus einem Ameisenring um die Stange, der jeweils seine zwei horizontal benachbarten Ameisen greift.
Unsere wichtigste Beobachtung war, dass ein Ring, der die Stange nicht vollständig umgibt, andere Ameisen nicht unterstützt, die versuchen, einen weiteren Ring darauf aufzubauen. Nach der Messung der Ameisenhaftung und der Haftfestigkeit analysierten wir die Physik des Rings und stellten fest, dass ein vollständiger Ring 20- bis 100-mal stabiler ist als ein unvollständiger. Es sah so aus, als ob die Ringbildung der Engpass für das Turmwachstum sein könnte.
Diese Hypothese gab uns eine überprüfbare Vorhersage. Ein Pol mit größerem Durchmesser hat mehr Ringstellen, die gefüllt werden müssen, sodass sein Turm langsamer wachsen sollte. Um eine quantitative Vorhersage zu erhalten, haben wir die Ameisenbewegungen für eine Entfernung von etwa einem Zentimeter mathematisch in zufällige Richtungen modelliert - genau wie in unserem Modell der Ameisenbewegung für die Ameisenfloßbildung.
Dann filmten wir Nahaufnahmen von Ameisen, die sich an Stellen im Ring bewegten. Basierend auf über 100 Datenpunkten haben wir eine starke Bestätigung unseres Modells der Ringfüllung erhalten. Als wir Turmbautexperimente mit einer Reihe von Poldurchmessern durchführten, wuchsen die Türme um Masten mit größerem Durchmesser langsamer, mit Raten, die unseren Vorhersagen ziemlich gut entsprachen.
In Zeitlupe sinken
Es gab eine große Überraschung. Wir dachten, wenn der Turm fertig war, war das alles, was es gab. In einem unserer experimentellen Versuche ließen wir die Videokamera versehentlich eine weitere Stunde laufen, nachdem der Turm gebaut worden war.
Der damalige Doktorand Nathan Mlot war ein zu guter Wissenschaftler, um nur Beobachtungsdaten zu verwerfen. Aber er wollte keine Stunde damit verschwenden, zuzusehen, wie nichts passierte. Also schaute er sich das Video mit 10x normaler Geschwindigkeit an - und was er sah, war erstaunlich.
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Bei 10-facher Geschwindigkeit bewegen sich die Oberflächenameisen so schnell, dass sie eine Unschärfe darstellen, durch die der darunter liegende Turm sichtbar ist und der Turm langsam sinkt. Es passiert viel zu langsam, um es mit normaler Geschwindigkeit zu erkennen.
Wir beobachteten die untere Turmschicht von unten durch die transparente Petrischale. Die Ameisen dort bilden Tunnel und verlassen allmählich den Turm. Dann huschen sie über die Turmoberfläche, bis sie sich schließlich einem neuen oberen Ring anschließen.
Wir konnten die Ameisen tief im Turm nicht sehen. Sinkt der gesamte Turm oder nur seine Oberfläche? Wir vermuteten das erstere, da Ameisen in Klumpen und Flößen als eine Masse zusammenhalten.
Wir haben Daria Monaenkova engagiert, die gerade eine neuartige 3D-Röntgentechnik erfunden hat. Wir haben einige Ameisen mit radioaktivem Jod dotiert und verfolgt. Jede verfolgte Ameise im Turm sank.
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Die vielleicht bemerkenswerteste Implikation dieser Forschung ist, dass die Ameisen nicht „wissen“müssen, ob sie sich alle gleich verhalten. Anscheinend folgen sie denselben einfachen Bewegungsregeln: Wenn sich Ameisen über Ihnen bewegen, bleiben Sie an Ort und Stelle. Wenn nicht, bewegen Sie sich zufällig und halten Sie nur an, wenn Sie einen freien Platz neben mindestens einer stationären Ameise erreichen.
Sobald der Turm gebaut ist, zirkulieren die Ameisen durch ihn und behalten dabei seine Form bei. Wir waren überrascht; Wir dachten, die Ameisen würden aufhören, ihren Turm zu bauen, sobald seine Höhe maximal war. Zuvor, als wir das Ameisenfloß studierten, waren wir in umgekehrter Weise überrascht. Wir dachten, die Ameisen würden durch das Floß zirkulieren, um abwechselnd unter Wasser am Boden zu sein. Stattdessen können Ameisen am Boden wochenlang an Ort und Stelle bleiben.
Jeder lebende Organismus, den ich untersucht habe, hat sich als komplizierter herausgestellt, als es zunächst schien. Das Verständnis, wie einfache Regeln zu ausgefeilten und unterschiedlichen Strukturen führen können, erhöht unseren Respekt vor der Kraft der Evolution und gibt uns Ideen für das Design multifunktionaler selbstorganisierender Roboterteams.
