Термиты и их термитники формируют друг друга

Термиты строят сложные, долговечные сооружения размером в метры по всему миру без архитекторов, инженеров или прорабов. Как им это удаётся, долгое время оставалось загадкой.

Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона и Департамента организменной и эволюционной биологии разработали простую модель. Она показывает, как внешние факторы среды, например, суточные колебания температуры, управляют внутренними потоками воздуха в термитнике. Воздушные потоки переносят феромоны, которые запускают строительное поведение у отдельных термитов. Те, в свою очередь, модифицируют архитектуру термитника. Эти изменения снова влияют на внутренние потоки, создавая непрерывный цикл обратной связи.

Модель объясняет, как различия в окружающей среде приводят к формированию уникальной морфологии термитников в Азии, Австралии, Африке и Южной Америке.

Новая концепция демонстрирует, как простые правила, связывающие физику среды и поведение животных, могут порождать сложные структуры в природе. Она проливает свет на вопросы роевого интеллекта и может вдохновить на проектирование более устойчивой человеческой архитектуры.

Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Наша модель разрушает искусственный барьер между живыми и неживыми системами, фокусируясь на, возможно, самом известном примере животной архитектуры — термитниках», — сказал Л. Махадеван, старший автор исследования. — «Как сказал Уинстон Черчилль: "Сначала мы формируем наши здания, а потом они формируют нас". Мы можем количественно оценить это утверждение, показав, как сложные структуры возникают благодаря связи физики окружающей среды с простым коллективным поведением в масштабах, гораздо больших, чем сам организм».

Термитники функционируют как система вентиляции для колонии, живущей глубоко под землёй. Ранее команда Махадевана обнаружила, что изменения внешней температуры в течение дня вызывают изменения воздушного потока, температуры и влажности внутри термитника.

Эти воздушные потоки несут к термитам «информационные облака» из феромонов и метаболических газов, например, CO₂. Они указывают термитам, где нужно скорректировать постройку. Если какой-то участок термитника становится слишком тёплым, изменение температуры вызовет изменение потока воздуха, который доставит строительные сигналы рабочим особям поблизости. Термиты направятся к этому участку и изменят постройку, чтобы снизить температуру. Это изменение температуры, в свою очередь, изменит воздушный поток и поведение термитов.

Количественно описав эту петлю обратной связи, модель группы Махадевана даёт минималистичное описание, которое улавливает ключевые особенности морфогенеза термитника и генерирует широкий спектр типичных для них морфологий.

«Широкий спектр форм и размеров термитников, предсказанных нашей моделью, отражает разнообразие морфологий, наблюдаемых в природе», — сказал Александр Хейде, соавтор исследования. — «Одни термитники высокие и узкие, другие — маленькие и компактные. В зависимости от физических и поведенческих параметров термитники разных видов могут выглядеть совершенно по-разному».

«Наша модель даёт простой ответ на давний вопрос в экологии термитов — области, которая уже вдохновляет и информирует междисциплинарные сообщества биоинспирированной инженерии и роевого интеллекта. Это исследование бросает нам вызов — научиться строить устойчивую архитектуру, которая использует, а не борется с естественными вариациями в нашей среде», — сказал Махадеван.