Các nhà nghiên cứu đã xác định các quy tắc hành vi đơn giản cho phép những sinh vật nhỏ bé này hợp tác xây dựng các cấu trúc phức tạp - bè và tháp - không có ai phụ trách.
Làm thế nào để mỗi người biết phải làm gì? Hình ảnh qua Tim Nowack.
Bởi Craig Tovey, Viện công nghệ Georgia
Thả một cụm 5.000 con kiến lửa trong một ao nước. Trong vài phút, khối này sẽ xẹp lại và lan rộng thành một chiếc bánh tròn có thể nổi trong nhiều tuần mà không bị chết đuối.
Thả cùng một đàn kiến gần một cái cây trên mặt đất rắn.
Chúng leo lên nhau để tạo thành một khối rắn xung quanh thân cây có hình tháp Eiffel - đôi khi cao tới 30 con kiến. Tháp kiến đóng vai trò là một công trình tạm thời đẩy lùi những hạt mưa.
Hàng trăm ngàn con kiến cùng nhau tạo ra một tòa tháp - nhưng bằng cách nào? Hình ảnh thông qua Candler Hobbs, Georgia Tech.
Làm thế nào và tại sao những con kiến tạo ra những hình dạng đối xứng nhưng rất khác nhau? Chúng phụ thuộc vào xúc giác và khứu giác - không phải thị giác - để nhận thức thế giới, vì vậy chúng chỉ có thể cảm nhận được những gì mà rất gần gũi với chúng. Trái với suy nghĩ của nhiều người, nữ hoàng không ban hành lệnh cho thuộc địa; cô dành cả đời để đẻ trứng. Mỗi con kiến tự kiểm soát, dựa trên thông tin được thu thập từ vùng lân cận.
Vừa là kỹ sư hệ thống vừa là nhà sinh vật học, tôi bị mê hoặc bởi tính hiệu quả của đàn kiến trong các nhiệm vụ đa dạng, như kiếm thức ăn, nổi trên mặt nước, chiến đấu với những con kiến khác và xây tháp và tổ dưới lòng đất - tất cả đều được thực hiện bởi hàng ngàn sinh vật thuần chủng có bộ não có ít hơn một phần mười nghìn tế bào thần kinh như con người.
Trong nghiên cứu trước đó, đồng nghiệp của tôi David Hu và tôi đã điều tra làm thế nào những sinh vật nhỏ bé này dệt cơ thể của họ thành những chiếc bè cứu sinh không thấm nước trôi nổi trong nhiều tuần trên nước lũ.
Bây giờ chúng tôi muốn hiểu làm thế nào cùng một con kiến phối hợp thành một cấu trúc hoàn toàn khác trên đất liền - một tòa tháp được tạo thành từ hàng trăm ngàn con kiến lửa sống.
Kiến lửa hỗ trợ như thế nào?
Một nửa số kiến ở Georgia là kiến lửa, Solenopsis invicta. Để thu thập các đối tượng trong phòng thí nghiệm của chúng tôi, chúng tôi từ từ đổ nước vào một tổ dưới lòng đất, buộc kiến lên bề mặt. Sau đó chúng tôi bắt chúng, đưa chúng đến phòng thí nghiệm và giữ chúng trong các thùng. Sau một vài vết cắn đau đớn, chúng tôi đã học cách xếp các thùng rác bằng bột trẻ em để ngăn chúng trốn thoát.
Kiến lửa tạo thành một tòa tháp xung quanh một cột hẹp. Hình ảnh qua Georgia Tech.
Để kích hoạt tòa nhà của họ, chúng tôi đặt một đàn kiến vào đĩa petri và mô phỏng một thân cây với một cây cột nhỏ thẳng đứng ở trung tâm. Điều đầu tiên chúng tôi nhận thấy về tòa tháp của họ là nó luôn hẹp ở đỉnh và rộng ở phía dưới, giống như tiếng kèn. Một đống kiến chết là hình nón. Tại sao hình chuông?
Dự đoán đầu tiên của chúng tôi, rằng cần nhiều kiến hơn về phía dưới để hỗ trợ trọng lượng nhiều hơn, đã chứng minh chính xác. Nói chính xác, chúng tôi đã đưa ra giả thuyết rằng mỗi con kiến sẵn sàng hỗ trợ trọng lượng của một số loài kiến khác, nhưng không còn nữa.
Từ giả thuyết này, chúng tôi đã rút ra một công thức toán học dự đoán chiều rộng của tháp là một hàm của chiều cao. Sau khi đo các tháp làm bằng số lượng kiến khác nhau, chúng tôi đã xác nhận mô hình của chúng tôi: kiến sẵn sàng hỗ trợ trọng lượng của ba anh em của chúng - nhưng không nhiều hơn. Vì vậy, số lượng kiến cần thiết trong một lớp phải giống như trong lớp tiếp theo (để hỗ trợ trọng lượng của tất cả các kiến trên lớp tiếp theo), cộng với một phần ba số trong lớp tiếp theo (để hỗ trợ lớp tiếp theo lớp).
Sau đó, chúng tôi được biết rằng kiến trúc sư Gustave Eiffel đã sử dụng cùng một nguyên tắc chịu tải tương đương cho tòa tháp nổi tiếng của mình.
Vòng quanh cột
Tiếp theo chúng tôi hỏi làm thế nào kiến lửa xây tháp. Tất nhiên, họ không làm toán mà sẽ cho họ biết có bao nhiêu con kiến cần phải đi đâu để tạo ra hình dạng đặc biệt này. Và tại sao họ phải mất 10 đến 20 phút thay vì chỉ một hoặc hai phút để xây dựng một chiếc bè? Điều này đã đưa chúng tôi bảy giả thuyết thử nghiệm trong hai năm bực bội để trả lời.
Xem những con kiến xây dựng một tòa tháp trong thời gian thực.
Mặc dù chúng ta nghĩ về một tòa tháp được tạo thành từ các lớp nằm ngang, nhưng kiến don don xây dựng tòa tháp bằng cách hoàn thành lớp dưới cùng và thêm một lớp hoàn chỉnh tại một thời điểm. Họ có thể hiểu được trước khi biết lớp dưới cùng rộng bao nhiêu. Không có cách nào để họ đếm được có bao nhiêu con kiến, ít hơn nhiều để đo chiều rộng của lớp hoặc tính chiều rộng cần thiết.
Thay vào đó, những con kiến ríu rít trên bề mặt được gắn vào và do đó làm dày tháp ở tất cả các lớp. Lớp trên cùng luôn được hình thành trên đỉnh những gì trước đây là lớp trên cùng. Là hẹp nhất, nó bao gồm một vòng kiến xung quanh cột, mỗi con kẹp hai con kiến nằm ngang của nó.
Quan sát chính của chúng tôi là nếu một chiếc nhẫn không bao vây hoàn toàn cây cột, thì nó không hỗ trợ những con kiến khác đang cố gắng xây dựng một chiếc nhẫn khác trên đầu chúng. Sau khi đo độ bám của kiến và cường độ bám dính, chúng tôi đã phân tích tính chất vật lý của vòng và xác định rằng một vòng hoàn chỉnh ổn định hơn từ 20 đến 100 lần so với vòng không hoàn chỉnh. Có vẻ như sự hình thành vòng có thể là nút cổ chai cho sự phát triển của tháp.
Giả thuyết này đã cho chúng tôi một dự đoán có thể kiểm chứng. Một cột có đường kính lớn hơn có nhiều vị trí vòng được lấp đầy, do đó tháp của nó sẽ phát triển chậm hơn. Để có được một dự đoán định lượng, chúng tôi đã mô hình hóa một cách toán học các chuyển động của kiến theo hướng ngẫu nhiên trong khoảng cách khoảng một centimet - giống như trong mô hình di chuyển của kiến về sự hình thành của kiến.
Sau đó, chúng tôi quay cảnh cận cảnh những con kiến di chuyển vào những nơi trên võ đài. Dựa trên hơn 100 điểm dữ liệu, chúng tôi đã xác nhận mạnh mẽ mô hình lấp đầy vòng của chúng tôi. Khi chúng tôi thực hiện các thí nghiệm xây dựng tháp với một loạt các đường kính cực, chắc chắn, các tòa tháp phát triển chậm hơn xung quanh các cột có đường kính lớn hơn, với tốc độ phù hợp với dự đoán của chúng tôi khá tốt.
Chìm trong chuyển động chậm
Có một bất ngờ lớn sắp tới. Chúng tôi nghĩ rằng một khi tòa tháp hoàn thành, đó là tất cả. Nhưng trong một trong những thử nghiệm thử nghiệm của chúng tôi, chúng tôi đã vô tình để máy quay video chạy thêm một giờ sau khi tòa tháp được xây dựng.
Sau đó, học sinh tiến sĩ, Nathan Mlot, là một nhà khoa học giỏi đến mức chỉ loại bỏ dữ liệu quan sát. Nhưng anh ấy đã không muốn lãng phí một giờ để xem không có gì xảy ra. Vì vậy, anh ấy đã xem video với tốc độ gấp 10 lần bình thường - và những gì anh ấy thấy thật tuyệt vời.
Video thời gian trôi đi của một tháp kiến.
Ở tốc độ gấp 10 lần, những con kiến bề mặt di chuyển rất nhanh, chúng là một vệt mờ mà qua đó có thể nhìn thấy tòa tháp bên dưới và tòa tháp đang dần chìm xuống. Nó xảy ra quá chậm để nhận ra ở tốc độ bình thường.
Chúng tôi quan sát lớp tháp dưới cùng từ bên dưới qua đĩa petri trong suốt. Những con kiến ở đó tạo thành các đường hầm và dần dần thoát khỏi tòa tháp. Sau đó, họ bàn tán xôn xao về bề mặt tòa tháp cho đến khi cuối cùng họ tham gia một vòng tròn mới.
Chúng tôi không thể nhìn thấy những con kiến ở sâu bên trong tòa tháp. Là toàn bộ tháp hoặc chỉ là bề mặt của nó chìm? Chúng tôi nghi ngờ trước đây, vì những con kiến trong cụm và bè bám vào nhau như một khối.
Chúng tôi tranh thủ Daria Monaenkova, người vừa phát minh ra một kỹ thuật X-quang 3D mới lạ. Chúng tôi pha tạp một số con kiến bằng iốt phóng xạ và theo dõi chúng. Mọi con kiến theo dõi trong tháp đều chìm xuống.
Chụp ảnh tia X cho thấy kiến (chấm đen) đi lên hai bên tháp, chỉ chìm xuống khi chúng chạm tới cột.
Có lẽ ý nghĩa đáng chú ý nhất của nghiên cứu này là những con kiến không phải là người phải biết và liệu họ có cư xử giống nhau không. Rõ ràng chúng tuân theo các quy tắc di chuyển đơn giản giống nhau: Nếu kiến di chuyển phía trên bạn, hãy giữ nguyên vị trí. Nếu không, di chuyển ngẫu nhiên và chỉ dừng lại nếu bạn đến một không gian trống gần kề với ít nhất một con kiến đứng yên.
Sau khi tòa tháp được xây dựng, những con kiến lưu thông qua nó trong khi vẫn giữ được hình dạng của nó. Chung tôi đa rât ngạc nhiên; chúng tôi nghĩ rằng những con kiến sẽ ngừng xây dựng tòa tháp của chúng một khi chiều cao của nó là tối đa. Trước đây, khi chúng tôi nghiên cứu về bè kiến, chúng tôi đã ngạc nhiên theo cách ngược lại. Chúng tôi nghĩ rằng những con kiến sẽ lưu thông qua bè để thay phiên nhau ở dưới nước. Thay vào đó, kiến ở phía dưới có thể ở lại trong nhiều tuần.
Craig Tovey, Giáo sư Kỹ thuật Công nghiệp & Hệ thống và Đồng Giám đốc Trung tâm Thiết kế Lấy cảm hứng Sinh học, Viện công nghệ Georgia
Bài viết này ban đầu được xuất bản trên The Convers. Đọc bài viết gốc.