Mathematisches Modell beschreibt die Konstruktionsweise von Termitenhügeln

Das Innere eines Termitennests besteht aus komplexen miteinander verbundenen Ebenen und Rampen. (Credits: Image courtesy of Guy Theraulaz / Harvard SEAS)
Das Innere eines Termitennests besteht aus komplexen miteinander verbundenen Ebenen und Rampen. (Credits: Image courtesy of Guy Theraulaz / Harvard SEAS)

Einer Reihe von Studien über die Physiologie und Morphogenese von Termitenhügeln in den letzten zehn Jahren folgend, haben Wissenschaftler der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences jetzt ein mathematisches Modell entwickelt, das zu erklären hilft, wie Termiten ihre komplexen Hügel konstruieren. Die Studie wurde in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

“Termitenhügel gehören zu den großartigsten Beispielen für tierische Architektur auf unserem Planeten”, sagte L. Mahadevan, der Lola England de Valpine Professor of Applied Mathematics, of Organismic and Evolutionary Biology, and of Physics und Leiter der Studie. “Welchen Zweck haben sie? Wie funktionieren sie? Wie werden sie gebaut? Das sind Fragen, die Wissenschaftlern seit langer Zeit Kopfzerbrechen bereitet haben.”

In einer früheren Studie zeigten Mahadevan und sein Team, dass die Temperaturveränderungen zwischen Tag und Nacht Konvektionsströmungen in dem Hügel antreiben, die die Kolonie nicht nur belüften, sondern auch pheromonartige Reize transportieren, die das Bauverhalten bei Termiten auslösen.

Hier betrachtete das Team, wie Termiten ohne Plan oder Planer die komplex verbundenen Ebenen in einzelnen Hügeln bauen. Mit Experimentatoren von der University of Toulouse (Frankreich) unter Leitung von Guy Theraulaz kartierten die Forscher die inneren Strukturen zweier Nester mit Computertomografiescans und quantifizierten die Abstände und Konfiguration der Ebenen und Rampen. Zu der Komplexität der Nester kommt noch die Tatsache, dass Termiten nicht nur einfache Rampen zur Verbindung der Ebenen bauen, sondern dass sie auch spiralförmige Rampen bauen wie die Rampen in Parkhäusern, um mehrere Ebenen miteinander zu verbinden.

Mit diesen Visualisierungen und unter Einbeziehung der früheren Ergebnisse darüber, wie Faktoren wie die täglichen Temperaturveränderungen und Pheromonströme das Bauen steuern, konstruierten der Doktorand Alexander Heyde und Mahadevan ein mathematisches Rahmenwerk, um die Struktur des Hügels zu erklären. Heyde und Mahadevan betrachteten jede Komponente des Hügels (die Luft, die Erde und die Termiten) als vermischte Fluide, die sich räumlich und zeitlich verändern.

“Wir können die Ansammlung von hunderttausenden Termiten wie ein Fluid ansehen, das seine Umgebung erfassen und darauf reagieren kann”, sagte Heyde. “Dann hat man ein echtes Fluid, nämlich Luft, das Pheromone durch diese Umgebung transportiert, was neue Verhaltensmuster auslöst. Und schließlich hat man Erde, die von den Termiten bewegt wird, was die Art und Weise des Pheromonstroms verändert. Unser mathematisches Rahmenwerk gab uns klare Vorhersagen für die Abstände zwischen den Schichten und zeigte die spontane Bildung linearer und spiralförmiger Rampen.”

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Video-Link: https://youtu.be/ngSLWpckhks

 

“Das hier ist ein Beispiel, an dem wir sehen, dass die normale Teilung zwischen der Untersuchung nicht-lebender Materie und lebender Materie zusammenbricht”, sagte Mahadevan. “Die Insekten erschaffen eine Mikroumgebung, eine Nische, als Reaktion auf Pheromonkonzentrationen. Diese Veränderung der physikalischen Umgebung verändert den Pheromonstrom, der dann wiederum das Verhalten der Termiten verändert. Physik und Biologie werden durch eine dynamische Architektur miteinander verbunden, die das Verhalten beeinflusst und durch das Verhalten beeinflusst wird.”

Die Studie löst teilweise das Rätsel, wie diese Hügel funktionieren und gebaut werden, und könnte gut möglich Auswirkungen auf die Schwarmintelligenz in einer Reihe anderer Systeme und sogar auf das Verstehen von Aspekten der Gewebemorphogenese haben.

Lijie Guo und Christian Jost wirkten als Co-Autoren an der Forschungsarbeit mit. Sie wurde teilweise von der US National Science Foundation und der French National Science Foundation finanziert (DGE-1144152, ANR-06-BYOS-0008, PHY1606895).

Quelle

(THK)

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