2019-02-12 06:30:04
白蚁的形状和土墩形状

白蚁建筑项目没有建筑师,工程师或工头,但这些厘米大小的昆虫在世界各地建造复杂,长期,米尺寸的建筑物。他们如何做到这一点长期以来困扰着科学家们。

现在,来自哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院和有机与进化生物学系的研究人员开发了一个简单的模型,该模型显示外部环境因素(如白天温度变化)如何驱动土丘内的内部气流。当空气穿过土墩时,这些流中携带的信息素会触发个体白蚁的建筑行为,这些白蚁通过修改土墩结构来应对。反过来,这些修改会改变连续反馈循环中的内部流程。

该模型解释了环境的差异如何导致亚洲,澳大利亚,非洲和南美洲白蚁丘的独特形态。

这个新框架展示了将环境物理和动物行为联系起来的简单规则如何能够在自然界中产生复杂的结构。它揭示了更广泛的群体智能问题,可以作为设计更可持续的人类建筑的灵感。

该研究发表在“美国国家科学院院刊”上。

“我们的框架打破了生物系统和非生命系统之间的人为障碍,重点关注动物建筑 - 白蚁丘的最着名的例子,”洛杉矶英国de Valpine应用数学教授L. Mahadevan说。进化生物学,物理学和该研究的高级作者。 “正如温斯顿丘吉尔曾经说过的那样'我们塑造了我们的建筑,然后它们塑造了我们。'我们可以通过展示复杂结构如何通过将环境物理学与比生物体大得多的简单集体行为联系起来来量化这一陈述。“

虽然它们可能看起来像公寓大楼,但白蚁土墩实际上可以作为居住在地下深处的殖民地的通风系统。在之前的研究中,Mahadevan和他的团队发现,全天外部温度的变化推动了白蚁丘内气流,温度和湿度的变化。

气流的这些变化将含有信息的气味带到土墩内的白蚁中。这些由信息素和二氧化碳等代谢气体组成的信息云告诉白蚁在哪里调整土墩。例如,如果土墩的一部分温度太高,那么温度的变化将引发气流的变化,从而为附近的工人带来施工提示。白蚁将按照他们的感觉到那个区域并调整土墩以降低温度。温度的变化会改变气流,白蚁会改变它们的行为。

通过量化这个反馈回路,Mahadevan小组开发的模型提供了一个最小的描述,捕捉了土墩形态发生的基本特征,并产生了广泛的典型土墩形态。

“由我们的模型预测的各种白蚁丘形状和大小反映了自然界中观察到的多种形态,”哈佛大学博士亚历山大·海德说。学生和该研究的共同第一作者。 “有些土墩高而窄,而其他土墩又小而紧凑。根据游戏中的物理和行为参数,不同白蚁种类的土堆看起来会有很大不同。”

“我们的模型为白蚁生态学中一个长期存在的问题提供了一个简单的答案,这个领域已经启发并通知了跨学科社区的生物启发工程和群体智能。这项研究挑战我们学习如何建立可利用的可持续建筑,而不是战斗,我们环境的自然变化,“Mahadevan说。

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