Kolonie mrówek mogą rozciągać się na kilka metrów w głąb ziemi, mieścić miliony mieszkańców i służyć im przez dziesięciolecia. I to bez materiałów budowlanych, które wzmacniałyby mrówcze konstrukcje. Jak to się dzieje? Dowiedzieliśmy się tego dzięki trójwymiarowemu obrazowaniu rentgenowskiemu i naukowcom z Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego.
Mrowiska w laboratorium prześwietlono promieniami rentgenowskimi
José Andrade wraz z zespołem założyli niewielkie mrowiska w pojemnikach mieszczących pół litra ziemi i po kilkanaście mrówek z gatunku Pogonomyrmex occidentalis, zamieszkującego pustynie i sawanny zachodniej Ameryki Północnej. Przez niemal dobę każdy z pojemników mieszczących mrówki był co 10 minut prześwietlany za pomocą aparatury robiące trójwymiarowe zdjęcia rentgenowskie o wysokiej rozdzielczości (były na nich widoczne detale o wielkości 0,07 milimetra).
Pozwoliło to na określenie rozmiarów, kształtów i położenia każdego ziarna gleby w siedzibie mrówek. Badacze wprowadzili te informacje do komputera, aby uzyskać obraz sił działających na każde ziarnko. Komputer był niezbędny, bowiem w grę wchodzi dużo oddziaływań: przyciąganie ziemskie, tarcie oraz kohezja (czyli przywieranie, w tym wypadku spowodowane wilgocią).
Badania zajęły rok, ale pozwoliły badaczom odkryć sekrety mrówczej pracy, a w szczególności to, jak budują one tak wytrzymałe tunele. – W naiwności sądziliśmy, że mrówki budują tunele niczym ludzie grający w Jengę. Sądziliśmy, że może stukają w ziarna lub nimi manipulują, żeby sprawdzić, które będzie dawać najmniejszy opór przy usuwaniu – mówi Andrade.
Stawiające większy opór ziarna mrówki miałyby zostawiać jako filary swej konstrukcji. Okazało się jednak, że nic podobnego nie robią.
Mrówki kierują się prawami fizyki, choć nie są ich świadome
Okazało się, że zanim mrówka wydrąży tunel, siły między ziarnami rozkładają się przypadkowo. W miarę drążenia mrówki usuwają ziarna w taki sposób, że siły te jednak rozkładają się naokoło konstrukcji, tworząc niejako ochronny kokon. Tak samo dzieje się w przypadku budowanych przez ludzi tuneli, łuków, czy sklepień.
Dzięki temu mrówcze tunele są wyjątkowo trwałe. Taki rozkład sił sprawia też, że mrówki mogą bez trudu wydobyć ziarna spod takiego łuku (czy sklepienia) budowanego tunelu. I nie muszą w tym celu stosować dodatkowej siły.
Przy budowaniu tuneli mrówki potrafią też zachować w przybliżeniu linię prostą i stały kąt w stosunku do powierzchni ziemi. Umieją też wybrać nachylenie tunelu tak, aby ziemia się w nim nie osuwała i nie tarasowała przejścia. – Niezwykle, acz przypadkowo, odkryły technikę drążenia, która wykorzystuje prawa fizyki i jest przy tym bardzo wydajna – dodaje badacz.
Mrówczą pracę będą mogły naśladować maszyny
Mrówki nie znają oczywiście praw fizyki i nie podejmują decyzji, zastrzegają uczeni. Podążają po prostu za algorytmem, który powstał w wyniku milionów lat ewolucji. Budują swoje tunele instynktownie.
Nie ma w tym nic dziwnego – rowerzyści także nie znają dokładnych praw fizyki, które pozwalają utrzymać równowagę na rowerze, a użytkownicy języka nie muszą być świadomi obowiązujących w nim reguł, by się nim posługiwać. Pierwsze łuki czy sklepienia budowane przez ludzkość również powstawały, zanim opisano prawa fizyki, które zapewniają im trwałość.
Badacze sądzą, że odkryty przez nich mrówczy algorytm będzie można wykorzystać. Stosować go będą mogły autonomiczne roboty drążące tunele w niebezpiecznych warunkach na Ziemi lub na innych planetach
Źródła: California Institute of Technology, Proceedings of the National Academy of Sciences.