फायर चींटियों का निर्माण बिना किसी मास्टर प्लान के होता है

वे कैसे जानते हैं कि प्रत्येक को क्या करना है? टिम Nowack के माध्यम से छवि।

क्रेग टोवी द्वारा, जॉर्जिया प्रौद्योगिकी संस्थान

पानी के एक तालाब में 5, 000 आग चींटियों का एक समूह गिरा। मिनटों में गुच्छेदार चपटा हो जाएगा और एक गोलाकार पैनकेक में फैल जाएगा जो चींटियों को डूबने के बिना हफ्तों तक तैर सकता है।

ठोस जमीन पर एक पौधे के पास चींटियों के समान गुच्छे को गिराएं।

वे एफिल टॉवर के आकार में पौधे के तने के आसपास एक ठोस द्रव्यमान के रूप में एक-दूसरे के ऊपर चढ़ेंगे - कभी-कभी 30 चींटियों के बराबर ऊंचे होते हैं। चींटी टॉवर एक अस्थायी अतिक्रमण के रूप में कार्य करता है जो बारिश की बूंदों को दोहराता है।

सैकड़ों हजारों चींटियों ने मिलकर एक टॉवर बनाया - लेकिन कैसे? कैंडलर हॉब्स, जॉर्जिया टेक के माध्यम से छवि।

चींटियाँ इन सममित लेकिन बहुत अलग आकृतियों को कैसे और क्यों बनाती हैं? वे स्पर्श और गंध पर निर्भर करते हैं - दृष्टि नहीं - दुनिया को देखने के लिए, इसलिए वे केवल यह समझ सकते हैं कि उनके पास क्या है। आम धारणा के विपरीत, रानी कॉलोनी को आदेश जारी नहीं करती है; वह अपना जीवन अंडे देने में बिताती है। प्रत्येक चींटी अपने आस-पास के क्षेत्र से एकत्रित जानकारी के आधार पर खुद को नियंत्रित करती है।

सिस्टम इंजीनियर और बायोलॉजिस्ट दोनों के रूप में, मैं विभिन्न कार्यों में चींटी कॉलोनी की प्रभावशीलता पर मोहित हूं, जैसे कि भोजन के लिए फोर्जिंग, पानी पर तैरना, अन्य चींटियों से लड़ना और टावरों और भूमिगत घोंसलों का निर्माण करना - ये सभी हजारों प्यूरबाइंड द्वारा पूरा किया जाता है जिनके दिमाग मानव के रूप में कई न्यूरॉन्स के रूप में एक दस हजार से कम है।

पहले के शोध में, मेरे सहयोगी डेविड हू और मैंने जांच की थी कि कैसे ये छोटे जीव अपने शरीर को जल-विकर्षक जीवनरक्षक राफ्ट में बुनते हैं जो बाढ़ के पानी पर हफ्तों तैरते रहते हैं।

अब हम यह समझना चाहते थे कि एक ही चींटियों को जमीन पर एक पूरी तरह से अलग संरचना में इकट्ठा करने के लिए कैसे समन्वय किया जाता है - एक टॉवर जो कई हजारों हज़ारों जीवित चींटियों से बना है।

अग्नि चींटियां कितनी सहायक हैं?

जॉर्जिया में आधे चींटियों में आग चींटियों, सोलेनोप्सिस इनविक्टा हैं । हमारे प्रयोगशाला विषयों को इकट्ठा करने के लिए, हम धीरे-धीरे एक भूमिगत घोंसले में पानी डालते हैं, चींटियों को सतह पर मजबूर करते हैं। फिर हम उन्हें पकड़ते हैं, उन्हें प्रयोगशाला में ले जाते हैं, और उन्हें डिब्बे में रखते हैं। कुछ दर्दनाक काटने के बाद हमने उनके बचने को रोकने के लिए बेबी पाउडर से डिब्बे को लाइन करना सीखा।

एक संकीर्ण पोल के चारों ओर एक टावर बनाने वाली आग चींटियों। जॉर्जिया टेक के माध्यम से छवि।

उनके टॉवर भवन को ट्रिगर करने के लिए, हमने पेट्री डिश में चींटियों का एक झुंड लगाया और केंद्र में एक छोटे से ऊर्ध्वाधर पोल के साथ पौधे के तने का अनुकरण किया। पहली बात हमने उनके टॉवर के बारे में देखा कि यह हमेशा सबसे ऊपर और नीचे की तरफ चौड़ा होता था, जैसे एक तुरही की घंटी। मृत चींटियों का ढेर शंक्वाकार है। घंटी की आकृति क्यों?

हमारा पहला अनुमान, अधिक वजन का समर्थन करने के लिए नीचे की ओर अधिक चींटियों की आवश्यकता थी, सटीक साबित हुई। सटीक होने के लिए, हमने अनुमान लगाया कि प्रत्येक चींटी एक निश्चित संख्या में अन्य चींटियों के वजन का समर्थन करने के लिए तैयार है, लेकिन अब और नहीं।

इस परिकल्पना से हमने एक गणितीय सूत्र निकाला जो ऊंचाई के एक कार्य के रूप में टॉवर की चौड़ाई की भविष्यवाणी करता था। चींटियों की विभिन्न संख्याओं से बने टावरों को मापने के बाद, हमने अपने मॉडल की पुष्टि की: चींटियाँ अपने तीन भाइयों के वजन का समर्थन करने के लिए तैयार थीं, लेकिन अधिक नहीं। तो एक लेयर में आवश्यक चींटियों की संख्या अगली लेयर अप के समान ही होनी चाहिए (अगली लेयर के ऊपर की सभी चींटियों के वजन का समर्थन करने के लिए), साथ ही अगली लेयर में एक तिहाई संख्या (अगली को सपोर्ट करने के लिए) परत)।

बाद में, हमें पता चला कि वास्तुकार गुस्ताव एफिल ने अपने प्रसिद्ध टॉवर के लिए समान भार-वहन के समान सिद्धांत का उपयोग किया था।

पोल के चारों ओर रिंग

आगे हमने पूछा कि आग चींटियों ने टॉवर कैसे बनाया। बेशक वे गणित नहीं कर रहे हैं जो उन्हें बताएगा कि इस विशिष्ट आकृति को बनाने के लिए कितने चींटियों को जाने की आवश्यकता है। और एक बेड़ा बनाने के लिए केवल एक या दो मिनट के बजाय उन्हें 10 से 20 मिनट क्यों लगते हैं? इसने हमें जवाब देने के लिए दो निराशाजनक वर्षों में सात परीक्षण परिकल्पनाएं कीं।

देखो चींटियों वास्तविक समय में एक टॉवर का निर्माण।

यद्यपि हम एक टॉवर को क्षैतिज परतों से बना मानते हैं, चींटियाँ नीचे की परत को पूरा करके और एक समय में एक पूरी परत जोड़कर टॉवर का निर्माण नहीं करती हैं। वे अग्रिम में know कर सकते हैं कि नीचे की परत कितनी चौड़ी होनी चाहिए। वहाँ उनके लिए कोई रास्ता नहीं है कि कितने चींटियों की गणना करें, एक परत की चौड़ाई को मापने या आवश्यक चौड़ाई की गणना करने के लिए बहुत कम है।

इसके बजाय, सतह पर चींटियों के चीरने से आपस में जुड़ जाते हैं और इस तरह टावर को सभी परतों में गाढ़ा कर देते हैं। ऊपर की परत हमेशा बनी रहती है जो पहले सिर्फ ऊपरी परत थी। सबसे संकीर्ण होने के नाते, इसमें ध्रुव के चारों ओर चींटियों की एक अंगूठी होती है, प्रत्येक अपने दो क्षैतिज रूप से आसन्न चींटियों को पकड़ती है।

हमारा मुख्य अवलोकन यह था कि यदि कोई रिंग पूरी तरह से ध्रुव को घेरे नहीं है, तो यह अन्य चींटियों का समर्थन नहीं करता है जो उनके ऊपर एक और अंगूठी बनाने की कोशिश कर रहे हैं। चींटी की पकड़ और आसंजन ताकत को मापने के बाद, हमने रिंग के भौतिकी का विश्लेषण किया और निर्धारित किया कि एक अपूर्ण रिंग एक अधूरी की तुलना में 20 से 100 गुना अधिक स्थिर है। ऐसा लग रहा था कि रिंग ग्रोथ टॉवर ग्रोथ के लिए अड़चन हो सकती है।

इस परिकल्पना ने हमें एक परीक्षण योग्य भविष्यवाणी दी। एक बड़े व्यास के खंभे में अधिक रिंग स्थान भरे जाने हैं, इसलिए इसका टॉवर अधिक धीरे-धीरे बढ़ना चाहिए। एक मात्रात्मक भविष्यवाणी प्राप्त करने के लिए, हमने गणितीय रूप से चींटी के आंदोलनों को एक सेंटीमीटर की दूरी के लिए यादृच्छिक दिशाओं में होने के रूप में प्रतिमान दिया है, जो चींटी के गठन के लिए चींटी आंदोलन के हमारे मॉडल के समान है।

फिर हमने चींटियों के क्लोज़अप को रिंग में जगह बनाकर फिल्माया। 100 से अधिक डेटा बिंदुओं के आधार पर, हमें रिंग-फिलिंग के हमारे मॉडल की मजबूत पुष्टि मिली। जब हमने पोल-व्यास की एक सीमा के साथ टॉवर-बिल्डिंग प्रयोगों को चलाया, तो निश्चित रूप से, बड़े-व्यास वाले ध्रुवों के आसपास टावर धीरे-धीरे बढ़े, जो हमारी भविष्यवाणियों से काफी मेल खाते थे।

धीमी गति में डूबना

एक बड़ा आश्चर्य आया था। हमने सोचा था कि एक बार टॉवर पूरा हो गया था, वह सब वहाँ था। लेकिन हमारे एक प्रयोगात्मक परीक्षण में, हमने गलती से टॉवर बनने के बाद एक अतिरिक्त घंटे तक चलने वाले वीडियो कैमरा को छोड़ दिया था।

तत्कालीन-पीएचडी-छात्र नाथन मोल्ट भी केवल अवलोकन डेटा को त्यागने के लिए एक वैज्ञानिक थे। लेकिन वह कुछ भी नहीं देखने के लिए एक घंटे बर्बाद नहीं करना चाहता था। इसलिए उन्होंने 10x सामान्य गति video पर वीडियो देखा और जो उन्होंने देखा वह अद्भुत था।

एक चींटी टॉवर का समय चूक वीडियो।

10x की गति पर, सतह की चींटियां इतनी तेज़ी से चलती हैं कि वे एक धब्बा होती हैं जिसके माध्यम से टॉवर नीचे दिखाई देता है, और टॉवर धीरे-धीरे डूब रहा है। सामान्य गति से विचार करना बहुत धीरे-धीरे होता है।

हमने पारदर्शी पेट्री डिश के माध्यम से नीचे से नीचे की टॉवर परत का अवलोकन किया। वहां चींटियाँ सुरंग बनाती हैं और धीरे-धीरे टॉवर से बाहर निकलती हैं। वे तब तक टावर की सतह के बारे में बात करते हैं जब तक कि वे एक नए शीर्ष रिंग में शामिल नहीं हो जाते।

हम टॉवर के अंदर गहरी चींटियों को नहीं देख सकते थे। क्या पूरा टॉवर या सिर्फ इसकी सतह डूब रही है? हम पूर्व में संदेह करते थे, जैसे कि थक्कों में चींटियां और राफ्ट एक द्रव्यमान के रूप में एक साथ पकड़ती हैं।

हमने डारिया मोनेनकोवा को सूचीबद्ध किया, जिन्होंने अभी-अभी एक उपन्यास 3 डी एक्स-रे तकनीक का आविष्कार किया था। हमने रेडियोधर्मी आयोडीन के साथ कुछ चींटियों को डॉप किया और उन्हें ट्रैक किया। प्रत्येक ट्रैक चींटी टॉवर में डूब गई।

एक्स-रे फोटोग्राफी से पता चलता है कि चींटियों (काले डॉट्स) टॉवर के किनारों पर चलते हैं, केवल जब वे स्तंभ तक पहुंचते हैं तो डूबने के लिए।

शायद इस शोध का सबसे उल्लेखनीय निहितार्थ यह है कि चींटियों को "पता" नहीं है कि क्या वे सभी समान व्यवहार कर रहे हैं। जाहिरा तौर पर वे आंदोलन के समान सरल नियमों का पालन करते हैं: यदि चींटियां आपके ऊपर चल रही हैं, तो जगह में रहें। यदि नहीं, तो बेतरतीब ढंग से आगे बढ़ें, और केवल तभी रुकें जब आप कम से कम एक स्थिर चींटी से सटे किसी खाली जगह पर पहुँच जाएँ।

एक बार टॉवर के निर्माण के बाद, चींटियां इसके आकार को संरक्षित करते हुए इसके माध्यम से घूमती हैं। हम हैरान थे; हमें लगा कि चींटियां अपने टॉवर का निर्माण बंद कर देंगी क्योंकि इसकी ऊंचाई अधिकतम थी। पहले, जब हमने चींटी की बेड़ियों का अध्ययन किया, तो हम विपरीत तरीके से हैरान थे। हमने सोचा कि चींटियों को चीर के माध्यम से प्रसारित किया जाएगा ताकि नीचे की तरफ पानी के नीचे की ओर मुड़ें। इसके बजाय, तल पर चींटियों को हफ्तों तक रखा जा सकता है।

मैंने जिस जीव का अध्ययन किया है वह पहले की तुलना में अधिक जटिल निकला है। यह समझना कि सरल नियम कैसे विस्तृत और विभिन्न संरचनाओं का नेतृत्व कर सकते हैं, विकास की शक्ति के लिए हमारे सम्मान को बढ़ाते हैं, और हमें बहुआयामी स्वयं-संयोजन रोबोट टीमों को कैसे डिज़ाइन करें, इसके बारे में विचार देते हैं।

क्रेग टोवी, औद्योगिक और सिस्टम इंजीनियरिंग के प्रोफेसर और जैविक रूप से प्रेरित डिजाइन के लिए केंद्र के सह-निदेशक, जॉर्जिया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी

यह आलेख मूल रूप से वार्तालाप पर प्रकाशित हुआ था। मूल लेख पढ़ें।