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Aprendiendo sobre la estabilidad del sistema de las hormigas

Aprendiendo sobre la estabilidad del sistema de las hormigas
La hormiga militar Eciton burchellii. Crédito: James Herndon

Un nuevo tipo de comportamiento colectivo en las hormigas ha sido revelado por un equipo internacional de científicos, encabezado por el biólogo Profesor Iain Couzin, codirector del Grupo de Excelencia «Centro para el Estudio Avanzado del Comportamiento Colectivo» en la Universidad de Konstanz y director.


por la Universidad de Konstanz


en el Instituto Max Planck de Comportamiento Animal, ubicado en el mismo lugar, y Matthew Lutz, investigador postdoctoral en el laboratorio de Couzin. Su investigación muestra cómo las hormigas utilizan estructuras arquitectónicas autoorganizadas llamadas ‘andamios’ para garantizar el flujo de tráfico en superficies inclinadas. La formación de andamios resulta de la detección individual y la toma de decisiones, pero permite que la colonia en su conjunto se ajuste dinámicamente a los desafíos ambientales impredecibles.

¿Quién no conoce esta situación? Está atrapado en un atasco debido a la construcción de una carretera, o quería tomar el tren en lugar de su automóvil, pero no apareció. Un problema común a muchos sistemas artificiales complejos, ya sean infraestructuras de tráfico u otros sistemas tecnológicos, es la falta de robustez ante perturbaciones. Estos sistemas suelen ser rígidos e inflexibles, y las estructuras de control centralizadas o jerárquicas los hacen vulnerables a perturbaciones de un solo punto. Los sistemas biológicos, por otro lado, a menudo emplean formas de control distribuido y pueden ser asombrosamente robustos a los desafíos ambientales.

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Para obtener más información sobre los mecanismos de control que subyacen a la estabilidad y la resiliencia en los sistemas naturales, el biólogo Iain Couzin y su laboratorio, de Konstanz, junto con colegas internacionales de Australia y EE. UU., Investigaron cómo las hormigas coordinan el tráfico durante la búsqueda de alimento. Su estudio, publicado en PNAS , describe cómo las hormigas de la especie Eciton burchellii se organizan en estructuras arquitectónicas vivientes denominadas «andamios» en superficies inclinadas, para evitar la interrupción del tráfico y conservar los recursos. Los investigadores proponen un mecanismo de andamio formación en la que cada hormiga ajusta su comportamiento en función de su propia experiencia, sin necesidad de comunicación a nivel de grupo. Este mecanismo simple pero efectivo de control de sistemas proporcionales del mundo animal puede inspirar diseños para sistemas artificiales, desde vehículos autónomos hasta formas futuras de infraestructura resiliente que respondan a condiciones cambiantes.

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Depredadores voraces y arquitectos talentosos

Para su estudio, los científicos viajaron a Panamá, donde la especie bajo investigación, la hormiga armada Eciton burchellii, habita el bosque tropical de la isla Barro Colorado. Las hormigas armadas Eciton son insectos sociales que viven en grandes colonias con cientos de miles de trabajadores. Durante el día, cazan presas en incursiones masivas que pueden barrer un área de cuatro canchas de tenis en un solo día. Entre las muchas adaptaciones evolutivas que ubican a estas hormigas entre los principales depredadores invertebrados en el bosque tropical se encuentra su notable capacidad para autoorganizarse en una arquitectura viva. En beneficio de la colonia, las hormigas individuales unen fuerzas para modificar temporalmente el medio ambiente y asegurar el flujo de tráfico durante las cacerías de la colonia.

El estudio de PNAS describe un tipo de arquitectura que estas hormigas construyen, llamados ‘andamios’ por los autores, por primera vez en detalle. En condiciones naturales, los andamios se forman cuando los senderos de E. burchellii cruzan superficies inclinadas, como ramas o rocas, y las hormigas individuales se detienen y se adhieren a la superficie, permaneciendo fijas en su lugar. Los autores descubrieron que, al hacerlo, las hormigas brindan un agarre adicional para otras hormigas, que continúan su camino, marchando sobre las conespecíficas inmóviles.

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Se demostró que los andamios son altamente adaptables, creciendo a diferentes formas y tamaños según el contexto, desde unas pocas hormigas dispersas dispuestas como un muro de escalada, hasta densas agregaciones de hormigas que forman un estante sobresaliente. «Los andamios se forman rápidamente en respuesta a una interrupción, lo que evita que las hormigas se resbalen y caigan a lo largo del sendero de alimentación. Esto es especialmente importante cuando transporta recursos valiosos como presas a través del tráfico denso, y su sendero conduce a través de un entorno de selva tropical impredecible con todo tipo de pendientes. y obstáculos «, describe Couzin.

Coordinación a nivel de grupo sin comunicación

Para investigar experimentalmente el comportamiento de los andamios colectivos, los autores diseñaron un aparato que permitió la introducción de pendientes definidas en los senderos de asalto de las colonias de hormigas salvajes en el campo. Con experimentos repetidos en pendientes de diferentes ángulos, los investigadores encontraron que las hormigas se organizaban de manera confiable en andamios cuando cruzaban superficies inclinadas más de 40 grados. Cuanto más empinada era la pendiente, más hormigas resbalaban o caían inicialmente de la plataforma y, en respuesta, aumentaban el tamaño de los andamios. Una vez que se formó un andamio, unos minutos después de que las hormigas comenzaron a cruzar, el número de hormigas que resbalaban y caían regresaba a un nivel bajo, gracias a la estructura de soporte.

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De acuerdo con sus observaciones de campo y apoyados por modelos teóricos, los científicos sugieren un mecanismo sorprendentemente simple para la formación de andamios: cuando un animal se desliza en una superficie inclinada y luego recupera su equilibrio, tiene una cierta tendencia probabilística a arañar el suelo y permanecer en el suelo. lugar. Al hacerlo, inicia o se une a un andamio. Mientras más animales muestren el comportamiento, menos resbaladiza se vuelve la superficie inclinada, a medida que crece el andamio. La estructura finalmente deja de crecer, porque las hormigas que se arrastran pueden usar el andamio existente para cruzar sin obstáculos. «De alguna manera nos sorprendió incluso lo simple que es el mecanismo. Si observas estos fenómenos colectivos por primera vez, intuitivamente piensas que tiene que haber algún tipo de comunicación entre las hormigas. Sin embargo, en este caso particular, hay no es necesario.

Inspirándose en la naturaleza

A medida que los sistemas sociales y tecnológicos humanos aumentan en complejidad, es crucial encontrar e implementar mecanismos que corrijan de manera robusta y rápida los errores, aumentando la estabilidad. El ejemplo de los andamios en las hormigas del ejército de Eciton ofrece uno de esos mecanismos.

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Debido a su simplicidad, que solo requiere información sobre el estado de los elementos individuales en lugar de la compleja comunicación a nivel de grupo, esto puede servir como modelo para sistemas de ingeniería robustos pero flexibles con formas distribuidas de control similares. Lutz, un arquitecto cuya fascinación por los patrones autoorganizados en biología lo llevó a obtener su doctorado. e investigación postdoctoral sobre comportamiento colectivo y autoensamblaje en el laboratorio de Couzin, concluye: «Debido a que el mecanismo es bastante simple en términos de detección y comunicación, puede ser útil para aplicaciones en muchas escalas, en todas las disciplinas».



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