Как муравьи тащит груз

Что помогает муравьям переносить огромные грузы?

Как обнаружили ученые, муравьи обладают изумительной способностью совмещать коллективный физический труд с индивидуальной умственной инициативой, чтобы передвигать различные тяжести.

Исследования показывают, что дюжина или больше работающих в унисон муравьев, равных по силе большому насекомому, может следовать своему курсу на основе разведывательной информации, предоставляемой одной особью муравья. Эта же информация соединяет общие усилия всей цепочки.

Осознавая, что каким-то образом группа сбилась с курса или приближается к беде, «разведчик» тонко сигнализирует необходимое изменение направления подергивая всю колону под другим углом. Вместо того, чтобы сопротивляться, другие муравьи собираются в линию, сообщают исследователи в журнале “Nature Communications”.

Что помогает муравьям переносить огромные грузы?
Еще удивительнее, что тот муравей, который взял на себя ответственность за навигацию, через 10-20 секунд передаст свою должность уже другому муравью, вместе с полученной последней информацией.

“На сколько нам известно, «скаут» ничем не отличается от остальных особей. — сообщает ведущий автор исследования Офер Фейнерман, из Института Вейцмана в Израиле. — Никто не может выбрать лидера, так как он, и только он, назначает сам себя, потому что лишь ему известна информация о правильном направлении.»

Муравьи одни из немногих животных, которые распределяют между собой коллективные обязанности по переноске и транспортировке грузов, тяжелее своего веса в несколько раз. Одна из проблем в такой системе — находить баланс между синхронностью действий, с одной стороны, и гибкостью, необходимой для адаптации, с другой стороны.

Все существа, живущие в группах — будь то рыбий косяк, или стадо овец — нуждаются в развитии согласованных действий, так как именно это качество необходимо для осуществления скоординированных передвижений.

Именно общее согласование всей группы помогает муравьям держаться вместе, а не врознь, говорит доктор Фейнерман.
Но иногда, так называемый «конформизм поведения» является значительным недостатком, под влиянием которого может оказаться главный «скаут» группы. Взаимодействие муравьев и индивидуальных усилий разведчика, можно сравнить с отношениями между командой из восьми человек, участвующей в гребле, и их рулевого, который направляет лодку и одновременно смотрит в оба за ходом соревнований.

Исследователи также обнаружили, что есть оптимальное количество муравьев, около 15, для достижения максимальной скорости при передвижении.

Источник

Сумасшедших муравьев поделили на «грузчиков» и «координаторов»

Группа муравьев перемещает овсяное колечко к гнезду. Черная стрелка указывает направление к гнезду, а синяя — вектор движения, который в этот момент задают муравьи-координаторы.

Изображение: Ofer Feinerman et als. / Nature Communications

Физики из Института имени Вейцмана в Реховоте (Израиль) обнаружили, что длиннорогие сумасшедшие муравьи (Paratrechina longicornis) при коллективной переноске тяжестей используют особую стратегию кооперации и смены ролей в команде. Она основана на том, что 90 процентов времени каждый муравей ведет себя конформно и движется вместе со всеми, а еще 10 процентов времени он посвящает самостоятельным «поисковым» перемещениям. Обнаружив отклонение общей группы от курса, муравей корректирует его. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

В ходе эксперимента ученые снимали переноску тяжестей от мест их находки до гнезда. Пространство, по которому муравьи тащили грузы, было размечено специальными опорными точками, а траектории перемещений отдельных муравьев дополнительно отслеживались. Всего было снято больше сотни роликов с «транспортировкой груза» разного веса и размера, при котором участвовало различное количество муравьев. Дополнительно в ряде проб ученые добавляли на пути движения насекомых разные препятствия.

Выяснилось, что траектория движения любого крупного предмета напоминает нечто среднее между случайным блужданием и направленным движением. Так происходит из-за того, что объединившись для подъема и транспортировки тяжести, муравьи начинают действовать слаженно, как единое целое – они все движутся в одном направлении. Естественно, что спустя какое-то время они отклоняются в сторону от места, где находится гнездо или натыкаются на препятствие.

Однако конформно, «как все», муравьи действуют лишь 90 процентов времени. Периодически они отпускают груз и начинают бегать вокруг, разведывая территорию. Определив верное направление к гнезду они подбегают к сбившимся товарищам и начинают усиленно тянуть предмет в свою сторону, как бы давая команду остальным. Тем самым они изменяют движение в нужном направлении.

Как только вся группа начинает двигаться туда, муравей снова становится конформным и несет вместе со всеми в одном направлении. Роль такого лидера-координатора движения постоянно меняется и любой муравей занимает ее не более 10-15 секунд. Совокупно же это позволяет все время поддерживать относительно устойчивое направление к гнезду (хотя и довольно криволинейное), а также обходить препятствия.

Дополнительное математическое моделирование и эксперимент с очень крупным предметом (силиконовым диском диаметром 16 сантиметров) продемонстрировали, что и в этом случае насекомые могут поддерживать необходимое, относительно гладкое направление движения, однако уже не могут скоординировать свои действия, чтобы обойти препятствия.

Наиболее оптимальный размер перемещаемого предмета, при котором кооперативное взаимодействие муравьев максимально эффективно соответствует размерам входа в гнездо.

Источник

Сила муравья или уникальная грузоподъемность

Муравьи – древние и многочисленные обитатели Земли. Об их трудолюбии, выносливости и мощи сложены сказки и легенды.

Физические возможности этих насекомых, живущих сложной общественной жизнью, являются предметом пристального изучения ученых-энтомологов.

Сколько весит муравей?

Масса муравья зависит от видовой принадлежности:

• Самые мелкие из известных на Земле – домовые, или фараоновы муравьи. Их вес 1-2 мг.
• Наиболее распространенные – формицины – черные или рыжие лесные муравьи. Они обитают по всей планете, вес среднего насекомого – 6-7 мг.
• Африканский бродячий муравей сиафу– настоящий гигант в мире муравьев. Вес его достигает 90 мг.

На заметку! Вес королевы южноамериканского муравья-пули равняется рекордным 10 г и составляет вес 500 средних рабочих особей. Хотя это скорее исключение из правила. У прыгающих муравьев матка и рабочие особи обладают абсолютно одинаковым весом.

Известно, что масса муравьев составляет 1% от массы всех насекомых на Земле. До 90-х годов XX века считалось, что вес муравьев на планете сопоставим с весом людей. Однако недавние исследования доказали неправомерность этого вывода для человечества.

Население Земли на сегодняшний день составляет 7,2 млрд чел., а предположительный суммарный вес (с учетом возрастающей склонности к ожирению) 332 млрд. кг. Если предположить, что количество муравьев – 10 тыс. трлн особей, их гипотетический вес будет равен лишь 40 млрд кг.

Однако исследования были не напрасны. Ученые сделали ошеломительный вывод: до конца XVIII века биомасса муравьев действительно равнялась массе людей на Земле. Однако с открытием Америки человечество стало заселять все большие территории и активно увеличиваться. С этого времени муравьи по этому показателю остались далеко позади.

Однако можно с точностью утверждать, что на каждого «Хомо сапиенс» планеты приходится 10 млн. муравьев.

Муравьиная грузоподъемность

Ученые исследуют муравьев давно. Исследования постоянно дают новую информацию о жизни этих уникальных насекомых. Какой вес может поднять муравей – один из вопросов, который больше всего интересовал ученых. Еще в середине XX века считалось, что муравей может поднять вес, превышающий собственный в 10 раз – довольно много для крошечного создания.

Опыты проводились на разных видах муравьев. Так выяснилось, что муравей-листорез поднимает вес больше его собственного в 50 раз.

На заметку! Муравей-листорез назван так за свою способность одним точным движением челюстей перерезать листовую пластину или травинку. Траву они несут в муравейник, где ее пережевывают и используют как субстрат для выращивания грибов, которые употребляют в пищу. Биомасса особей одного муравейника равняется биомассе средней коровы.

В 2010 г. английские ученые задокументировали жизнь колонии азиатских муравьев-портных и смогли сделать фотографию, показывающую, что рабочий муравей поднимает груз больше всего веса в 100 раз.

Если бы человек обладал такой грузоподъемностью, он смог бы поднять вес, равный 4-5 тоннам.

На заметку! Ученые посчитали, что поднять человека смогут 1 млн особей, а кружку пива – 10 тыс. крошечных насекомых.

Почему муравьи такие сильные?

Закон живой природы гласит: относительная мышечная сила у животных тем выше, чем меньше размер тела.

Это означает, что у маленьких существ процент мышечной массы, приходящейся на килограмм веса, гораздо больше, чем у крупных представителей мира животных. Соответственно сила и грузоподъемность муравья больше, чем, например, у сухопутного гиганта – слона.

Японские и французские ученые в ходе совместных экспериментов сделали массу рентгеновских снимков и создали трехмерную модель мышц муравьев для наглядной демонстрации и изучения их силы. Строение грудных мышц муравья, крепление мускулатуры к экзоскелету (твердому хитиновому покрову) и геометрия мышц шеи позволяют муравью поднимать груз, невероятный для их массы. А ученым, наконец, удалось выяснить, сколько же тяжестей может поднять муравей.

Перестройка мышц груди у рабочих особей муравьев напрямую связана с потерей крыльев в процессе эволюции.

Справедливости ради стоит отметить, что самая сильная часть тела муравья, вне зависимости от его вида – это верхние челюсти. У муравьев, как у многих разновидностей членистоногих, две пары челюстей. Нижние служат для пережевывания пищи. А верхние – жвалы, или мандибулы – используются как оружие и инструмент для работы. Именно с помощью челюстей муравей может в мгновение ока отрезать голову противнику, рыть землю, разделить добычу на части. Также челюсти используются для подхватывания и перетаскивания маленькими носильщиками грузов.

Что еще могут?

Муравьиная колония – удивительное высокоорганизованное сообщество. Насекомые никогда не совершают лишних, хаотичных действий, их деятельность всегда целесообразна.

Мосты из насекомых

«Живые» мосты, которые сооружают африканские муравьи-кочевники из собственных тел, поражают воображение. Когда колония особей перемещается, они стараются пройти максимально коротким и удобным путем. Если на пути встречается водная преграда, насекомым приходится преодолевать ее. Муравьи сцепляются конечностями и усиками, образуя прочную арку. Как показали исследования, в строительстве моста участвуют 20% от количества муравьев в колонии. Остальные продолжают заниматься своими делами – обеспечивать охрану и добывать пропитание.

Интересен способ, каким муравьи образуют таком мост. Идущий впереди муравей застывает, идущий вслед за ним взбирается по спине. И таким образом, последовательно, муравьи передвигаются друг за другом, пока не будет выстроен путь достаточной длины, чтобы достичь противоположного берега. Муравьи будут стоять неподвижно, пока чувствуют, что по спине идут «товарищи».В процессе движения мост может менять конфигурацию, достраиваться. По мосту перемещаются самка-королева, рабочие, несущие будущее потомство и остальные особи.

Волочение по земле

Еще одна уникальная способность муравьев – перемещать «грузы». Если насекомое не в состоянии нести добычу, например, еще живую гусеницу, то он может ее тащить за собой по земле, буквально волочить. Вес, который при этом перемещает маленький носильщик, превышает его собственный в 30 раз.

Часто муравьи переносят большие грузы сообща. Группа численностью до 15 особей действует при этом весьма слаженно. Один муравей берет на себя функцию руководителя, остальные покорно следуют в заданном направлении. Периодически один из «грузчиков» становится разведчиком, отбегает от группы на значительное расстояние. Затем возвращается к своей команде и становится вожаком, поскольку точно знает, куда нужно двигаться.

Заключение

Муравьев можно встретить в любой точке земного шара. Ученые исследуют строение тела насекомого, обеспечивающее ему такую силу и выносливость. Полученный материал позволяет создавать модели роботов, способных поднимать и перемещать тяжелые грузы, подобно трудягам-муравьям.

Источник

Муравьи переносят тяжести с умом

Чтобы нести тяжёлый груз в правильном направлении, группа муравьёв постоянно передаёт друг другу руководство переноской.

Многие видели, как группа муравьёв вместе тащит куда-то большого жука, или гусеницу, или какой-нибудь кусок еды. Надо сказать, что способностью передвигать предметы, которые намного больше тебя самого, обладают совсем немногие виды животных, и, как легко догадаться, для этого нужны коллективные усилия. Но любой коллектив должен действовать слаженно, иначе ничего не получится. У людей слаженность работы обеспечивает иерархия, о которой члены группы договариваются заранее: например, задача гребцов в лодке – просто грести, а направление задаёт рулевой, которому известен курс.

Муравьи, тащащие жука, решают ту же задачу – у них должен быть кто-то, кто знает, куда нести добычу. Дело осложняется ещё и тем, что на пути могут встретиться препятствия, которые нужно обходить. Как показали эксперименты Авирама Гелблума (Aviram Gelblum) и его коллег из Института Вейцмана, у муравьёв в коллективе переносчиков – как и гребцов в лодке – есть лидер, определяющий направление движения. То есть все остальные особи доверяют ему и предоставляют в распоряжение свою мускульную силу.

Но лидер этот не постоянный: когда к ноше присоединяется новый муравей и дёргает её на себя (что происходит каждые 10-20 секунд), то все остальные, в том числе и «рулевой», не сопротивляясь, меняют направление движения и тащат груз теперь туда, куда указывает новенький. Причём, что важно, «новеньким» оказывается тот, кто какое-то время тащил добычу со всеми, но потом убежал на разведку. Недавний разведчик лучше прочих знает, куда надо двигаться, и, подчиняясь сигналу вновь прибывшего, группа обновляет данные о маршруте, меняя направление. Иными словами, лидер, рулевой у муравьёв – тот, кто последним взялся за груз, он знает больше, чем остальные. Коллективную работу насекомых можно посмотреть на видео здесь и здесь.

В статье, опубликованной в Nature Communications, авторы пишут, что для эффективного перетаскивания тяжёлой добычи достаточно примерно 15 «носильщиков» (эксперименты ставили на Paratrechina longicornis, мелких муравьях с длиной тела 2-3 мм, которые распространены повсеместно и являются опасным инвазивным видом; возможно, что у других видов оптимальное число особей для переноски груза может быть иным). Очевидно, именно такое число участников необходимо для своевременной разведки – даже если какой-то из временных лоцманов ошибётся, курс исправит его товарищ, который отправится на разведку вскоре после него.

Источник