Tecnologia Científica

Os pesquisadores desenvolvem um modelo matemático para explicar a arquitetura complexa dos cupinzeiros
A pesquisa foi publicada nos Proceedings of the National Academy of Sciences.
Por Leah Burrows - 20/01/2021


O interior de um ninho de cupins mostra pisos e rampas complexos e interconectados. Crédito: Guy Theraulaz / Harvard SEAS

Após uma série de estudos sobre a fisiologia e morfogênese dos cupinzeiros na última década, os pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson desenvolveram um modelo matemático para ajudar a explicar como os cupins constroem seus complexos montículos.

A pesquisa foi publicada nos Proceedings of the National Academy of Sciences.

"Os cupinzeiros estão entre os maiores exemplos de arquitetura animal em nosso planeta", disse L. Mahadevan, o professor de Matemática Aplicada, de Biologia Organísmica e Evolutiva e de Física da Lola England de Valpine, e principal autor do estudo. "Para que servem? Como funcionam? Como são construídos? Essas são as questões que intrigam muitos cientistas há muito tempo."

Em uma pesquisa anterior, Mahadevan e sua equipe mostraram que as variações de temperatura do dia para a noite impulsionam o fluxo convectivo no monte que não apenas ventila a colônia, mas também move sinais semelhantes aos dos feromônios, que acionam o comportamento de construção nos cupins .

Aqui, a equipe ampliou ainda mais para entender como os cupins constroem os pisos intrincadamente conectados em montes individuais sem um plano ou um planejador. Com experimentalistas da Universidade de Toulouse, na França, liderados por Guy Theraulaz, os pesquisadores mapearam as estruturas internas de dois ninhos usando tomografias computadorizadas e quantificaram o espaçamento e a disposição de pisos e rampas. Aumentando a complexidade dos ninhos está o fato de que os cupins não apenas constroem rampas simples para conectar pisos, mas também constroem rampas em espiral, como as rampas em garagens de estacionamento , para conectar vários andares.

Usando essas visualizações e incorporando as descobertas anteriores sobre como fatores como mudanças diárias de temperatura e fluxos de feromônios impulsionam a construção, o estudante de graduação da OEB Alexander Heyde e Mahadevan construíram uma estrutura matemática para explicar o layout do monte.

Heyde e Mahadevan pensaram em cada componente do monte - o ar, a lama e os cupins - como fluidos misturados que variam no espaço e no tempo.

"Podemos pensar na coleção de centenas de milhares de cupins como um fluido que pode sentir seu ambiente e agir sobre ele", disse Heyde. "Então você tem um fluido real, o ar, transportando feromônios através daquele ambiente, que impulsiona novos comportamentos. Finalmente, você tem a lama, que é movida pelos cupins, mudando a forma como os feromônios fluem. Nosso arcabouço matemático nos forneceu previsões claras para o espaçamento entre as camadas, e mostrou a formação espontânea de rampas lineares e helicoidais. "

"Aqui está um exemplo em que vemos que a divisão usual entre o estudo da matéria não viva e da matéria viva é quebrada", disse Mahadevan. “Os insetos criam um microambiente, um nicho, em resposta às concentrações de feromônios. Essa mudança no ambiente físico altera o fluxo dos feromônios, que então muda o comportamento dos cupins, ligando a física e a biologia por meio de uma arquitetura dinâmica que modula e é modulada pelo comportamento. "

Além de resolver parcialmente o mistério de como esses montes funcionam e são construídos, a pesquisa pode muito bem ter implicações para a inteligência do enxame em uma variedade de outros sistemas e até mesmo compreender aspectos da morfogênese do tecido.

 

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