Architektura żywych budowli

Ed Yong

2014-06-20

Mrówki ogniste (Solenopsis) są auto-architektami: konstruują całe budowle z własnych ciał. Zrób szczelinę na ich ścieżce, a połączą się w żywy most. Wysypuj je z dzbanka, a będą się lały jak żyjący, wielonogi wodospad, z mrówkami na górze utrzymującymi ciężar tych poniżej. A jeśli wrzucisz je do wody, co często zdarza się na argentyńskich terenach zalewowych, złączą się w tratwy.

Te tratwy są niesamowite. Potrafią zestawić się w minuty i utrzymują się na wodzie miesiącami. Dzięki tworzeniu kieszonek powietrza i dzięki własnym, woskowym, wodoszczelnym pokrywom, mrówki mogą unosić się na wodzie en masse, mimo że każda z nich indywidualnie jest cięższa od wody. A unoszą się tak dobrze, że trudno jest wepchnąć je pod wodę kijem – spróbuj, tratwa wygnie się, ale nie pójdzie pod wodę.

Nie da się zepchnąć pod wodę dobrej tratwy. Zdjęcie: Tim Nowack

Zespół Davida Hu z Georgia Institute of Technology od lat bada mrówki, filmując je, wrzucając do wody i mierząc ich cechy fizyczne. Jednej rzeczy jednak zawsze brakowało: nigdy nie udało im się zajrzeć do środka budowli mrówek, żeby zobaczyć, jak te budowle są zbudowane. „Wyobraź sobie, że masz tysiąc mrówek – mówi Hu. – Zobaczysz tylko te, które są na powierzchni. Możesz dostrzec drugą warstwę, ale wszystko co w środku jest niedostępne”.

Zespół, prowadzony przez studenta Paula Fostera, ujawnił wreszcie ten ukryty świat. Najpierw wirowali probówki zawierające po 110 mrówek, żeby zebrały się w żywe kule. Potem zalali owady płynnym azotem, co natychmiast zabiło je i zamroziło. Wpuścili do kul opary superkleju, żeby nie straciła kształtu przy rozmrożeniu.

Na koniec włożyli mrówki do tomografu komputerowego i obejrzeli pozycję każdej nogi i antenki, każdego ugryzienia i dotyku. „To jak patrzenie na budynek i oglądanie szkieletu i poszczególnych gwoździ” – mówi Hu.

Skan pokazał, że mrówki nadzwyczaj dobrze znajdują jedna drugą. Chociaż zespół zmusił je do bardzo szybkiego utworzenia kuli przez wirowanie probówką, niemal wszystkie połączyły nogi ze swoimi sąsiadami. Zespół badał cztery grupy po 110 mrówek co razem daje 2640 nóg. Z tego 2624 (99procent) było połączone z nogą innej mrówki.

“To jest tak, jakbyś był na dyskotece, ktoś krzyczy ‘Start!’ i musicie połączyć wszystkie nogi i ręce z sąsiadami – mówi Hu. – Mrówki robią to z sześcioma nogami i nie ma żadnych pasażerów na gapę. Nie ma ani jednej mrówki, która by się kogoś nie trzymała”.

Przeciętnie każda mrówka ma 14 połączeń z sąsiadami. Nie robią tego pazurami, ale lepkimi poduszeczkami na końcu stopy; osusz poduszeczki talkiem, a mrówki nie mogą tworzyć kuli, tratw ani mostów.

Połączenie mrówek. Zauważ lepkie poduszeczki między nogami. Zdjęcie: Foster et al, 2014. J Exp Biol.

Nie tylko przyklejają poduszeczki do najbliższej rzeczy, jaką mogą znaleźć; na ogół sczepiają się z nogami i stopami sąsiadów, nie zaś z ich tułowiami. Te połączenia pozwalają mrówkom zmieniać kształt swoich budowli przez zginanie lub wyciąganie nóg. To wyjaśnia, dlaczego budowle są tak elastyczne i dlaczego skuteczniej mogą absorbować siły zewnętrzne.

Połączenia stopa-stopa sugeruje także, że mrówki czynnie kontrolują naturę swoich kul. Zespół znalazł jeszcze inne wskazówki tego typu. Na przykład, kula żywych mrówek jest mniej gęsto upakowana niż kula martwych mrówek, co sugeruje, że odpychają swoich sąsiadów. Prawdopodobnie pomaga to tworzyć kieszonki powietrza, by utrzymać tratwę na powierzchni.

Żywe mrówki są także ułożone inaczej niż martwe. W martwej kuli mrówki są ułożone bardziej równolegle, bardzo podobnie do ziaren ryżu, jeśli włożysz je do słoika i potrząśniesz. Zmniejsza to luki powietrza między nimi i pozwala na wydajniejsze upakowanie. Ale w żywej kuli mrówki są ułożone bardziej prostopadle niż równolegle. To może pomóc w utrzymywaniu ich na powierzchni wody. Może także wzmacniać kulę. „Gdyby wszystkie mrówki były równoległe, byłyby miejsca załamań i łatwiej byłoby przełamać kulę na pół – mówi Hu. Przy tym wzorze nie ma słabych punktów”.

CT-scan kuli mrówek. Nogi zostały usunięte cyfrowo, żeby łatwiej było zobaczyć pojedyncze osobniki. Zdjęcie: Foster et al, 2014. J Exp Biol.

Nic z tego nie wymaga inteligencji; jest wiele przykładów złożonych zachowań zwierzęcych powstających z niewiarygodnie prostych reguł. Niemniej odkrycia zespołu sugerują, że mrówki zachowują się w bardziej złożony sposób niż ktokolwiek wcześniej podejrzewał. Nie chwytają po prostu swoich sąsiadów na chybił trafił. Zamiast tego ustawiają się na bardzo określone sposoby. „Dosłownie tworzą nowy typ materiału z osobliwymi właściwościami ze względu na sposób, w jaki się łączą. To wymaga pewnej zręczności” – mówi Hu.

Kule ze 110 mrówek, które bada Hu są także bardzo proste. Naturalne tratwy potrafią zawierać tysiące mrówek ognistych. Biwak (tymczasowe schronienie) mrówek potrafi kontrolować własną temperaturę i wilgotność przez otwieranie porów w swoich żywych ścianach. Te struktury są tak duże, że nie zmieściłyby się w tomografie używanym przez Hu, chce więc je zamrozić, rozebrać i badać kawałek po kawałku. Jeśli prosta kula już jest bardziej skomplikowana niż ktokolwiek podejrzewał, to jak będzie wyglądała wieża, most lub tratwa?

A kiedy czekasz na odpowiedź, dlaczego nie rozkoszować się filiżanką herba… O DO DIABŁA NIE.

Mrówki ogniste zachowują się jak płyn. Zdjęcie: Tim Nowack

Źródło: Foster, Mlot, Lin & Hu. 2014. Fire ants actively control spacing and orientation within self-assemblages. J Exp Biol. http://dx.doi.org/10.1242/jeb.093021

PS: Mrówki ogniste otrzymały nazwę z powodu swoich bolesnych,piekących użądleń i są znakomite w pokonywaniu przeszkód. „Praca z nimi wymaga pewnej praktyki” – mówi Hu. Rękawice są niezbędne, jak też pokryte teflonem pojemniki, żeby nie mogły się z nich wydostać. Mimo tych środków ostrożności użądlenia są nieuniknione. Ponieważ zespół wiruje mrówki, żeby zwinęły się w kule, czasami poszczególne mrówki wypadają. „Czasem żądli cię mrówka wiele godzin po zakończeniu eksperymentu, bo łazi sobie po twoim ubraniu” – mówi Hu.

Piękne zdjęcia w tym poście są autorstwa Tima Nowacka. Zobacz jego stronę.

The architecture of living buildings

Not Exactly Rocket Science, 11 czerwca 2014

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

Ed Yong

Mieszka w Londynie i pracuje w Cancer Research UK. Jego blog „Not Exactly Rocket Science” jest próbą zainteresowania nauką szerszej rzeszy czytelników poprzez unikanie żargonu i przystępną prezentację.
Strona www autora