Ko et al. / Physical Review Fluids, 2022
Ученые выяснили, что основной механизм, который помогает красным огненным муравьям (Solenopsis invicta) строить живые плоты, — взаимное притяжение, возникающее из-за поверхностного натяжения жидкости. Физики изучили, как группы муравьев передвигаются по поверхности воды и выяснили, что для устойчивости плота в нем должно быть не меньше 10 насекомых. Физическая модель объединения муравьев в единый плот, предложенная учеными в журнале Physical Review Fluids, может стать примером для описания группового поведения других организмов: стай рыб, косяков птиц.
Чтобы выжить во время наводнений, красные муравьи создают живые плоты: насекомые цепляются друг за друга и, удерживая на спине еще по 2-3 других особи, плывут по поверхности воды. Плоты могут состоять из нескольких тысяч муравьев и остаются на плаву благодаря силе поверхностного натяжения воды, которая превышает их вес и не дает утонуть. Ученые полагали, что основная движущая сила, заставляющая группы муравьев, оказавшихся на воде, строить из себя общее плавательное средство, — это социальные взаимодействия.
В большинстве моделей группового поведения насекомых, в том числе во время строительства живых плотов, «социальная сила» вводится феноменологически. Она вынуждает насекомых двигаться друг к другу или центру роя, но является ли она фундаментальным свойством групп насекомых или удобным модельным приближением физических сил — до сих пор неясно. В предыдущих исследованиях муравьиных плотов физики изучали их динамику, но не пытались разобраться в том, что именно удерживает насекомых вместе и как устойчивость плота зависит, например, от его размера.
Физики под руководством Дэвида Ху (David L. Hu) из Технологического института Джорджии исследовали плоты размером от двух до 158 муравьев. Ученые провели 72 опыта, в которых помещали муравьев в аквариум с водой, записывали их траектории и наблюдали за взаимодействием в течение пяти минут. Во-первых, физики заметили, что, оказавшись рядом, насекомые отталкивали друг друга ногами и старались не объединятся. Если муравьев было меньше десяти, то они могли скрепляться в единые плоты, но из-за взаимного отталкивания насекомых конечностями в течение двух минут эти образования распадались. Когда муравьев в плоте оказывалось больше десяти, плот оставался стабильными и не распадался в течение всего эксперимента.
Для объяснения этих наблюдений ученые построили физическую модель двумерного движения насекомых по поверхности воды как частиц определенного размера. При этом «социальную силу» они не учитывали. В их модели на насекомых в плоскости воды действовали четыре типа сил: сила собственного движения за счет движения лапок, вязкое сопротивление воды, которое тормозит перемещение муравьев по поверхности, капиллярные силы в эффекте Чириос, и сила «взаимного отталкивания» друг друга лапками.
Эффект Чириос
Эффект Чириос вынуждает объекты, плавающие на поверхности жидкости притягиваться (иногда отталкиваться) и образовывать устойчивые агломерации. В быту его можно наблюдать, когда хлопья слипаются на поверхности молока. Свое название эффект получил как раз из-за популярных в США хлопьев Cheerios. Эффект возникает из-за искривления поверхности жидкости, помещенными на нее объектами. Легкие материалы удерживаются на поверхности, из-за уравновешивания сил тяжести и поверхностного натяжения. При этом жидкость вокруг объекта искривляется, в частности, под муравьями прогибается.
Попадая во впадины, образованные на поверхности соседями, муравьи не могут выбраться и притягиваются друг к другу. Чем больше насекомых и чем они ближе друг к другу, тем сильнее эффект.
Слева — живые муравьи на поверхности жидкости, справа — силы, действующие на муравья в плоскости: сила собственной тяги (красная стрелка), вязкого сопротивления воды (серая стрелка), притяжение из-за эффекта Чириоса (синия стрелка). Черной стрелкой обозначено текущее направление скорости.
Ko et al. / Physical Review Fluids, 2022
Помимо количества муравьев, определяющими параметрами для образования плота были скорость перемещения насекомых и расстояние между ними. Сила притяжения в эффекте Чириос прямо пропорциональна расстоянию между объектами и зависит от поверхностного натяжения жидкости. Если муравьи удалены друг от друга больше чем на два сантиметра, эффект Чириос незначителен. Также через пять минут пребывания в воде, муравьи начинали перемещаться в два раза медленнее и соответственно быстрее образовали плоты, оказавшись рядом.
Физики выяснили, что траектории муравьев на поверхности жидкости случайны. При этом распределение скоростей насекомых качественно совпадает с распределением скоростей для броуновских частиц. Поэтому поведение муравьев, можно описать моделью броуновского движения. Муравьи в этом случае были броуновскими частицами в форме диска диаметром два миллиметра. Численное моделирование подтвердило гипотезу ученых, устойчивыми оказались плоты, состоящие из 10 муравьев.
По словам авторов работы, открытие механизма формирования живого плота поможет лучше понять коллективную динамику колоний муравьев и других групп живых организмов, когда происходит объединение организмов в единую структуру, например косяк рыб. Ученые подчеркивают, что будущие модели коллективного поведения, основанные на статистической механике, должны учитывать временную изменчивость системы и различия в поведении отдельных особей.
Строительство плотов — это не все архитектурные таланты муравьев. Они умеют строить живые башни и даже сооружать живые мосты.
Илья Бения