Невероятные строительные способности термитов всегда вызывали восхищение исследователей. Эти мелкие насекомые способны возводить многометровые термитники невероятной сложности – с лабиринтами галерей для эффективного перемещения, системами естественной вентиляции, которым могут позавидовать лучшие инженеры человечества.
Но как тысячи или миллионы термитов умудряются скоординировать свои действия, чтобы создавать столь монументальные и функциональные жилища для своей колонии?
Новое исследование под руководством Андреа Перна, профессора комплексных систем из Школы передовых исследований IMT Лукка, раскрывает этот секрет. В опубликованной в журнале eLife работе ученые выявили уникальный механизм, с помощью которого термиты добиваются столь выдающихся строительных результатов.
В ходе лабораторного эксперимента с термитами вида Coptotermes gestroi исследователи создали небольшие арены с искусственными конструкциями различной высоты и формы из влажной глины. Затем они собрали группы термитов из более крупной колонии и количественно оценили их строительное поведение на этих конструкциях, отслеживая по видео активность всех особей и изменения в 3D-структуре.
Сравнивая наблюдения с другими общественными насекомыми-строителями, такими как муравьи, ученые выдвигали и проверяли различные гипотезы о том, как термиты координируют свою деятельность. Если бы, подобно муравьям, они полагались на феромоны для “инструктирования”, то не должны были отдавать предпочтение каким-либо местам для размещения строительного материала в изначально стерильной арене. Однако термиты явно концентрировали свои усилия на вершинах уже существующих конструкций.
Возможно, они просто оценивали высоту неровностей и продолжали надстраивать их? Но нет – термиты с равной вероятностью откладывали комочки строительного материала как на коротких, так и на высоких столбиках.
Настоящий ключ к разгадке исследователи обнаружили, анализируя еще одну гипотезу – о том, что термиты могут улавливать кривизну строительного субстрата. В компьютерных симуляциях было показано, что постоянное добавление материала в местах с наибольшей кривизной приводит к формированию структур, очень похожих на термитники.
И действительно, в экспериментах термиты предпочитали строить в местах максимальной кривизны – на вершинах столбиков и в углах стен, куда и откладывали свои “строительные комочки”.
Но как они определяют эти участки повышенной кривизны? Ключ был в особой чувствительности термитов к влажности. В отличие от большинства других насекомых, у термитов тонкий наружный скелет и мягкая кожа, из-за чего они остро реагируют на изменения влажности и избегают сухих мест.
Чтобы доказать это, исследователи пропитали глину в аренах солевым раствором бикарбоната натрия. После испарения воды на местах с наибольшим испарением – кончиках столбиков и углах стен – оставались кристаллики соли, точно совпадавшие с “горячими точками” строительной активности термитов!
“То, что по-настоящему удивило нас – это открытие того, что термиты используют такое простое решение для очень сложной проблемы”, – комментирует Андреа Перна.
В экспериментах сложность гнезда самоорганизуется снизу-вверх из одного простого механизма: термиты откладывают комочки материала только в местах с наибольшей локальной влажностью. Но при этом их комочки, в свою очередь, меняют весь рисунок испарения, побуждая других термитов строить уже в других влажных точках. Этот непрерывный процесс и приводит в итоге к формированию невероятно замысловатых структур.
Термиты демонстрируют уникальную форму естественного распределенного интеллекта, позволяющего эффективно решать масштабные коллективные задачи без централизованного управления. Они возводят свои грандиозные дома, просто следуя локальным градиентам влажности в своем микроокружении.
Это открытие важно не только для понимания биологии термитов, но и может подсказать новые принципы для разработки децентрализованных систем в различных областях – от строительства до робототехники.
Природа в очередной раз впечатляет нас мощью простых правил организации невероятно сложных систем.
Читайте также: Загадка: по всему миру обнаружены сотни новых мест, связанных с кругами фей
