Πώς τα έντομα ενεργούν σαν υγρά

Τα ψαρόνια ανεβαίνουν στον ουρανό με στροβιλιζόμενες δίνες. τα μυρμήγκια γεμίζουν σαν ποτάμια. «Τεντώνονται, κινούνται, αλλά διατηρούν τη συνοχή με έναν τρόπο που θα περίμενε κανείς από ένα ρευστό που κινείται», είπε ο Nicholas Ouellette, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. Γι' αυτόν τον λόγο, δεν είναι τραβηγμένο να σκεφτόμαστε τη συλλογική συμπεριφορά των ζώων στη γλώσσα της μηχανικής των ρευστών ή να αναλύουμε ομάδες οργανισμών όπως θα ανέλυε ένας μηχανικός ένα υλικό.

Αυτή η προσέγγιση απέδωσε καρπούς σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε σήμερα στο Science Advances , στο οποίο ο Ouellette και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν μια στρατηγική εμπνευσμένη από την επιστήμη των υλικών για να αναλύσουν τη δυναμική ενός ιπτάμενου σμήνους. Προσδιόρισαν ιδιότητες στις συλλογικές συμπεριφορές των εντόμων που θα μπορούσαν να βοηθήσουν μια ομάδα να αποφύγει τη διάλυση απέναντι σε ένα μεταβαλλόμενο και ενοχλητικό φυσικό περιβάλλον.

Μια τέτοια συλλογική συμπεριφορά - στην οποία εκατοντάδες ψάρια, ας πούμε, αλλάζουν ξαφνικά πορεία με τη μία, φαινομενικά ως μια ενιαία οντότητα - είναι ένα μυστήριο που οι ερευνητές προσπαθούν ακόμη με ανυπομονησία να ξετυλίξουν. Για να το κατανοήσουν πληρέστερα, οι ειδικοί συνήθως μελετούν τις αλληλεπιδράσεις των ατόμων, ελπίζοντας να εντοπίσουν πώς ορισμένοι απλοί κανόνες μπορούν να οδηγήσουν στα μακροσκοπικά αναδυόμενα αποτελέσματα που έχουν παρατηρήσει. Αλλά αυτό ήταν δύσκολο.

Ο Ouellette και μερικοί άλλοι επιστήμονες αντιμετώπισαν το πρόβλημα από μια διαφορετική οπτική γωνία:αγνοώντας τα άτομα και στρέφοντας την προσοχή τους στο τι μπορούν να αποκαλύψουν οι ιδιότητες ολόκληρου του συστήματος σχετικά με τη συμπεριφορά του - ακριβώς όπως «μπορείτε να περιγράψετε πώς είναι ένα υλικό , χωρίς να χρειάζεται να γνωρίζουμε τι κάνουν τα άτομά του», είπε ο Ouellette.

Όταν οι μηχανικοί δοκιμάζουν ένα υλικό, το σπρώχνουν και το προωθούν για να δουν πώς αντιδρά. Ο Ντέιβιντ Χου, ένας φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια, έκανε κάτι παρόμοιο στις μελέτες του για τα μυρμήγκια της φωτιάς:Μετρώντας πώς αντιδρούσαν τα σμήνη όταν συμπιέστηκαν μεταξύ δύο επιφανειών και υποβλήθηκαν σε άλλα είδη δυνάμεων, ο ίδιος και οι συνάδελφοί του διαπίστωσαν ότι το μυρμήγκι Η συμπεριφορά έχει ιδιότητες που μοιάζουν με αυτές των στερεών και των ρευστών. Άλλοι ερευνητές έχουν μελετήσει παρόμοιες φυσικές ιδιότητες σε βακτήρια.

Αλλά να το κάνουμε αυτό για ιπτάμενα ζώα, τα οποία δεν αγγίζουν το ένα το άλλο καθώς μαζεύουν και τα οποία είναι συχνά πιο δύσκολο να ελεγχθούν σε ένα πείραμα, φαινόταν απρόσιτο. "Δεν πρόκειται να βάλετε ένα κοπάδι πουλιών στο εργαστήριο", είπε η Ouellette.

Ως εκ τούτου, αποφάσισε να δουλέψει με αρσενικά σκνίπες, μικρά έντομα που ενώνονται σε σύννεφα κατά τη διάρκεια της περιόδου ζευγαρώματος για να γίνουν ορατά στα θηλυκά από μακριά. Συνήθως το κάνουν πάνω από κάποιο αντικείμενο που είναι ορατό στο έδαφος, είτε πρόκειται για ρίζα δέντρου είτε για μια μικρή λακκούβα με βρόχινο νερό — το οποίο η ομάδα αναπαρήγαγε τοποθετώντας ένα μικρό κομμάτι μαύρης τσόχας στο κάτω μέρος της δεξαμενής στην οποία ανυψώνονταν τα σκνίκια.

Όταν οι ερευνητές μετακίνησαν το έμπλαστρο από τσόχα σε ένα μοτίβο ταλάντωσης κύματος, το σμήνος κινήθηκε μαζί του, επιτρέποντάς τους να μελετήσουν τις σκνίπες όπως είχε κάνει ο Χου με τα μυρμήγκια του. Συγκεκριμένα, εξέτασαν πώς συμπεριφέρονταν τα στρώματα του σμήνους ως απάντηση στην αλλαγή της θέσης της τσόχας. Οι σκνίπες κοντά στο κάτω μέρος κινούνταν στο ίδιο βήμα με την τσόχα, ταλαντεύοντας όσο κι εκείνη. αυτά τα σκνίπες μπορούσαν να δουν την τσόχα από κάτω τους. Αλλά οι σκνίπες σε υψηλότερα στρώματα, που μπορούσαν να δουν μόνο άλλα έντομα από κάτω τους, υστερούσαν, ταλαντεύοντας λιγότερο με την τσόχα. Η καθυστέρηση έδειξε ότι το κύμα πληροφοριών σχετικά με τη θέση της τσόχας σταδιακά καταστέλλονταν καθώς κινούνταν προς τα πάνω μέσα από το σμήνος.

Η μέτρηση των ιδιοτήτων αυτού του κύματος πληροφοριών επέτρεψε στους επιστήμονες να διερευνήσουν τις μηχανικές ιδιότητες του σμήνους με μεγαλύτερη ακρίβεια, «στο ίδιο είδος γλώσσας που θα χρησιμοποιούσαν για να δοκιμάσουν το φυστικοβούτυρο», είπε ο Hu, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. Διαπίστωσαν ότι κατά κάποιο τρόπο, το σύστημα συμπεριφέρθηκε ελαστικά, όπως ένα ελατήριο, ενώ με άλλους τρόπους συμπεριφέρθηκε σαν ένα παχύρρευστο υγρό, τοποθετώντας το στην κατηγορία των «ιξωδοελαστικών» υλικών.

Το πιο ενδιαφέρον ήταν ότι το ιξώδες του σμήνους υπερίσχυσε την ελαστικότητά του, οδηγώντας στο ισχυρό φαινόμενο απόσβεσης που παρατηρήθηκε στις κινήσεις των σκνιών. «Ο τρόπος που αλληλεπιδρούν τα έντομα όχι μόνο τους επιτρέπει να μείνουν όλα μαζί, αλλά τα κάνει ανθεκτικά σε αυτές τις εξωτερικές διαταραχές που διαφορετικά θα μπορούσαν να καταστρέψουν το σμήνος», είπε ο Ouellette. Το φαινόμενο απόσβεσης κάνει την ομάδα πιο σταθερή — κάτι που, όπως υποστηρίζει, μπορεί να βοηθήσει το σμήνος να παραμείνει στη θέση του, ώστε τα θηλυκά να μπορούν να το βρουν.

Αν συμβαίνει αυτό, είπε ο Χου, «σημαίνει ότι η απόσβεση έχει κάποια πραγματική βιολογική συνάφεια».

Δεν είναι ο τρόπος με τον οποίο οι ειδικοί σκέφτονται συνήθως την απόσβεση και τη συλλογική συμπεριφορά. Οι επιστήμονες που μελετούν αυτά τα συστήματα συνήθως επικεντρώνονται στην ενίσχυση του σήματος, η οποία επιταχύνει τη ροή των πληροφοριών μέσα από ένα κοπάδι πουλιών ή ένα κοπάδι ψαριών «σαν φήμες», δήλωσε ο Simon Garnier, βιολόγος στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Νιου Τζέρσεϊ που δεν συμμετείχε στο μελέτη. Επειδή, για παράδειγμα, τα πουλιά και τα ψάρια πρέπει να αποφεύγουν τα αρπακτικά, είναι επωφελές για όλα τα μέλη ενός κοπαδιού ή κοπαδιού να μάθουν για ένα προειδοποιητικό σημάδι, ακόμα κι αν αυτό σημαίνει επίσης ότι αντιμετωπίζουν κάποιους ψευδείς συναγερμούς.

Πράγματι, οι ερευνητές της πολυπλοκότητας έχουν συχνά δείξει πώς η συλλογική συμπεριφορά μπορεί να μεταδώσει γρήγορα πληροφορίες σε μια ομάδα. Η απόσβεση συνήθως θεωρούνταν απλώς ως ένας τρόπος για να αντισταθμιστεί αυτό το αποτέλεσμα ενίσχυσης. "Ήταν κάτι που ήταν απαραίτητο για να βεβαιωθούμε ότι το σύστημα δεν θα εκραγεί, αλλά δεν ήταν κάτι που μελετήθηκε από μόνο του", είπε ο Garnier.

Φυσικά, τα συλλογικά συστήματα πρέπει να επιτύχουν μια ισορροπία μεταξύ των σημάτων ενίσχυσης και του θορύβου απόσβεσης:Τα άτομα είναι επιρρεπή σε σφάλματα, επομένως η ομάδα δεν θέλει να διαδώσει κάθε μικρό λάθος, αλλά επίσης δεν θέλει να εμποδίσει καθόλου τη ροή πληροφοριών . "Τα συλλογικά συστήματα πρέπει να βρουν τη σωστή θέση σε αυτό το φάσμα, ανάλογα με τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουν στη φύση", δήλωσε ο Albert Kao, ερευνητής στο Ινστιτούτο Santa Fe που μοντελοποιεί τη συλλογική συμπεριφορά.

"Έτσι είναι ωραίο, δεδομένου του τρόπου με τον οποίο το πεδίο εστιάζει στα σήματα που ενισχύονται, να παρουσιάζουν μια περίπτωση εδώ όπου υπάρχει όφελος από την απόσβεση του θορύβου", πρόσθεσε.

Αλλά ο Garnier προειδοποιεί ότι το συμπέρασμα του Ouellette - ότι η πληροφοριακή απόσβεση στο σμήνος των σκανδάλων εξελίχθηκε για να εξυπηρετήσει έναν σκοπό - απέχει πολύ από το να αποδειχθεί. "Για να σας πω εάν αυτή η αναδυόμενη ιδιότητα έχει αξία για την καταλληλότητα των σκνίπων, θα αναγκαστείτε να επιστρέψετε στη μελέτη των ατόμων κάποια στιγμή", είπε.

Ωστόσο, η Ouellette είναι αισιόδοξη ότι «αυτό το γενικό παράδειγμα συλλογικής συμπεριφοράς είναι ικανό να δημιουργήσει κάθε είδους διαφορετικά αποτελέσματα που μπορούν να προσαρμοστούν σε όποια και αν είναι η κατάλληλη βελτιστοποιημένη περιβαλλοντική αλληλεπίδραση». Στην πραγματικότητα, πρόσθεσε, «μπορεί να μην γνωρίζουμε ακόμη όλα όσα είναι καλό».

Μια μέρα, οι ερευνητές ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν αυτές τις γνώσεις για να συντονίσουν τη συμπεριφορά των σμηνών drones ή ρομπότ ή ακόμα και για να ελέγξουν τη διάδοση πληροφοριών μέσω των κοινωνικών δικτύων. Για να φτάσουν εκεί, θα πρέπει πρώτα να συνδυάσουν αυτήν τη μακροσκοπική προβολή με τις παραδοσιακές μικροσκοπικές.

Τούτου λεχθέντος, "υπάρχουν πολλά που μπορούμε να κερδίσουμε από την κατανόηση της κατάστασης της ομάδας αυτών των ζωικών συστημάτων", είπε ο Ouellette, "και συμπληρώνοντας το ισοδύναμο της θερμοδυναμικής και της επιστήμης των υλικών για αυτές τις ομάδες."

Όταν πρόκειται για αυτό, ο Χου είπε, «αυτή είναι μόνο η αρχή».