Математическая модель объясняет сложную архитектуру термитников

Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук разработали математическую модель, объясняющую, как термиты строят свои сложные сооружения. Работа опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

От загадки к модели

Термитники — выдающиеся примеры архитектуры в животном мире. Учёные давно задавались вопросами об их функции, принципах работы и строительства. В основе нового исследования лежат предыдущие работы, показавшие, что суточные колебания температуры вызывают конвекционные потоки воздуха внутри термитника. Эти потоки не только вентилируют колонию, но и переносят феромоноподобные сигналы, которые запускают строительное поведение у термитов.

Анализ структуры

Совместно с экспериментаторами из Университета Тулузы (Франция) исследователи с помощью КТ-сканирования изучили внутреннюю структуру двух гнёзд. Они количественно оценили расположение и расстояние между этажами и соединяющими их пандусами. Сложность архитектуры заключается в том, что термиты строят как простые пандусы, так и спиральные (похожие на рампы в паркингах), соединяющие несколько этажей.

Математическая основа

На основе этих визуализаций и с учётом ранее открытых факторов (сдвиги температуры, потоки феромонов) аспирант Александр Хейде и профессор Л. Махадеван создали математическую модель, объясняющую планировку термитника.

Подход "взаимодействующих жидкостей"

Учёные рассматривали каждый компонент термитника — воздух, грязь и самих термитов — как смешанные жидкости, изменяющиеся в пространстве и времени.

• Термиты — это "жидкость", которая может ощущать окружающую среду и действовать на неё.
• Воздух — реальная жидкость, переносящая феромоны и вызывающая новое поведение.
• Грязь — материал, перемещаемый термитами, который меняет пути потока феромонов.

Эта математическая модель дала чёткие предсказания для расстояний между слоями и показала спонтанное формирование линейных и спиральных пандусов.

Связь физики и биологии

Как отметил Махадеван, это исследование стирает границу между изучением живой и неживой материи. Насекомые создают микросреду (нишу) в ответ на концентрацию феромонов. Это изменение физической среды, в свою очередь, меняет поток феромонов и поведение термитов, связывая физику и биологию через динамическую архитектуру.

Помимо решения загадки строительства термитников, эта работа может иметь значение для изучения коллективного интеллекта в других системах и даже для понимания процессов морфогенеза тканей.