シロアリは表面の曲率に応じて巣を作りました

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シロアリは表面の曲率に応じて巣を作りました
シロアリは表面の曲率に応じて巣を作りました
Anonim
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生物学者と数学者は、Nasutitermes属のシロアリの巣の建設をモデル化しました-シロアリは表面の局所的な湾曲に従ってトンネルを構築しますが、トンネルの特徴的な厚さはシロアリのサイズとほぼ同じです。この記事は、Journal of the Royal SocietyInterfaceに掲載されました。

シロアリやアリなどの他の社会性昆虫は、コロニーを保護するために巣を作ります。科学者はアリについて知っています。たとえば、建設中、アリは二酸化炭素の流れに反応し、フェロモンの助けを借りて群集し、ますます多くのアリを引き付けます。これにより、広い廊下が発生します。個々の昆虫の動きを説明するのは非常に困難ですが、アリは環境の局所的な状態に応じて建築材料の粒子を上下させます-大きなコロニーの場合、汚名を着せる効果(たとえば、フェロモンの噴霧)建設に最大の貢献をします。

しかし、シロアリ化学戦闘員のシロアリに巣を作る過程を観察することは数回しかできませんでした-それらはあまりにも予測不可能で迅速にできます。実験室で巣の構造を観察することにより、科学者はトンネルの壁の表面がサドルの形をしていることを発見しました。これは、表面の曲率が大きい領域でシロアリの塚を構築する黄金のルールを示唆しています。 、シロアリは壁を作り(そして曲率を減らし)、表面の曲率が小さい領域では何もしません。さらに、他のMacrotermes michaelseniシロアリでは、科学者は表面の曲率と昆虫の活動の間に正の相関関係があることを発見しました。

Rohampton大学のGiulioFacchiniが率いるベルギー、イギリス、フランスの科学者は、Nasutitermes樹上性シロアリの巣の成長モデルを開発しました。優勢な柱頭の近似の研究者は、モデルを単純化し、シロアリの個々の影響ではなく、その結果、特に表面の局所的な曲率に応じて、シロアリのマウンドの条件付き独立成長を考慮しました。

研究者たちは、巣が単純であるため、特定の属のNasutitermesシロアリを選択しました。それらは等方性で均質であり(巣は木に成長するため、チップが主な材料であるため)、シロアリの塚のさまざまな部分を区別するのが困難です。また、巣には特殊な空洞がなく、シロアリ塚の構造理論の初期試験に便利です。ただし、著者は、局所的な曲率が建物に影響を与える間接的なパラメータであることを正しく指摘しています。たとえば、より多くの「セメントフェロモン」が建物に蓄積したり、シロアリがさまざまな曲率によって発生する可能性のある水分勾配に従って粒子を調整したりします。表面。ただし、これらの理由のいずれも完全に正当化されるものではありません。

シロアリの塚がどのように進化するかを決定するために、科学者は、さまざまな境界条件で、建築材料とボイドの2つのフェーズの問題を解決する必要がありました。分析的には、問題は平面の場合にのみ解決されましたが、別のアプローチでは、基板と空の媒体を特定のスカラー場に置き換えて、壁面の形状を取得できるものを区別することができます。フェーズ。次に、研究者は、フィールドの時間依存性を提案しました。この場合、非線形成長と拡散という2つの項を区別できます。これにより、表面の曲率が大きいポイントでのこのスカラーフィールドの動作が修正されます。依存挙動を分析した後、科学者たちは、拡散項が壁の厚さよりも小さい寸法の建物の粒子のすべての詳細を洗い流すという結論に達しました。このため、気孔率はモデルの外側にあり、巣に必要な換気を提供します。

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シロアリの巣の成長をシミュレートする

著者らは、システムの数学的モデリングを実行し、基板の成長を観察しました。システムは、実際のシロアリの塚のように、トンネルの分岐と結合を示しました。彼らのモデルをテストするために、科学者はオーストラリア(Nasutitermes walker)とガイアナ(Nasutitermes ephratae)からの実際のシロアリの巣のCTスキャンを取り、それらをモデルと比較しました。実際の巣の場合、モデルの場合と同様に、トンネルの特徴的な幅はシロアリの幅と一致していました。

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トンネルマージおよびブランチイベント

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分岐とマージの継続

定性的比較から定量的比較に移行するために、科学者は平均とガウス局所曲率を調べました。後者は、表面の形状を決定します:球、円柱、または鞍。平均曲率は、サーフェスのどちら側にあるか、内側にあるか、外側にあるかを決定します。実際の巣の初期条件でのモデル構造の曲率は、実際のシロアリ塚の曲率と非常に似ていることがわかりました。構築プロセスは決定論的よりも確率論的であることが判明しましたが、実際のサンプルとモデルサンプルの両方で、科学者は鞍型の表面が優勢であることを発見しました。将来的には、科学者はモデルを改良し、それを使用して他の降着プロセスを説明することを計画しています。たとえば、蝶の羽の微細構造を取得するためです。

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得られた巣の構造の相互比較:(上)シミュレートされたシロアリの巣、(下)実際のシロアリの巣

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同じサンプルのガウス分布と平均局所曲率の対応、黒と灰色の境界線はすべての点の10パーセント離れています

シロアリの塚はその形で知られており、記録破りの無脊椎動物ビルダーと見なされています。 2年前のブラジルで、生物学者はシロアリの丘を発見しました。その年齢は3、8000歳でした。研究者によると、それらはクルガン地域の3倍の面積を占めており、宇宙からも見ることができます。

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