Rystelse af sværmen - forskere undersøger, hvordan bier samarbejder om at stabilisere sværmklynger

Hvis det er en dårlig idé at sparke en hornet rede, det er bestemt en dårlig idé at ryste en biesværm. Med mindre, selvfølgelig, det er til videnskab.

Et team af forskere ved Harvard University tilbragte måneder med at ryste og rasle sværme af tusinder af honningbier for bedre at forstå, hvordan bier i fællesskab samarbejder om at stabilisere strukturer i nærvær af eksterne belastninger.

Forskningen er publiceret i Naturfysik .

"Vores undersøgelse viser, hvordan levende systemer udnytter fysik til at løse komplekse problemer på skalaer, der er meget større end individet, "sagde L. Mahadevan, Lola England de Valpine professor i anvendt matematik ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), Professor i organisk og evolutionær biologi (OEB), og professor i fysik og seniorforfatter af undersøgelsen. "Vi demonstrerede, at bier kan udnytte miljøets fysikalitet løse et globalt mekanisk stabilitetsproblem ved at bruge lokal sansning og handling"

Denne forskning følger tidligere arbejde fra gruppen, der viste, hvordan bier også kollektivt kan opretholde temperaturen i en klynge ved hjælp af lokal sansning og aktivering for at forhindre overophedning eller overkøling.

Biesværme dannes, når en dronningbi slår ud med en stor gruppe arbejderbier for at danne en ny koloni. Mens spejdere leder efter en ny rede, kolonien danner et levende, vejrtrækningsstruktur, lavet af deres egen krop, på en nærliggende trægren. Disse klynger bevarer deres struktur og stabilitet i flere dage i nærvær af vind, regn og andre ydre belastninger.

"Det primære spørgsmål i vores forskning var, i betragtning af at enkelte bier sandsynligvis kun kan fornemme deres interaktion med deres naboer, hvordan foretager de ændringer for at opretholde klyngens overordnede struktur? "sagde Orit Peleg, en tidligere postdoktor ved SEAS og medforfatter af papiret.

Peleg er nu adjunkt i datalogi ved University of Colorado — Boulder.

Forskerne byggede en biesværm ved at fastgøre en dronningsbi i bur til et bevægeligt bræt og vente på, at arbejderbier klynge sig omkring hende. Når klyngen blev dannet, forskerne simulerede vind ved at ryste brættet vandret og lodret.

De observerede, at sværmen starter med en kegellignende struktur, med en vis højde og basisareal. Når den rystes vandret, bierne skaber en fladere kegle ved at reducere højden og øge basisarealet. Når rysten stopper, de går tilbage til deres oprindelige form.

Bierne ved, hvilken vej de skal flytte, fordi de reagerer på de lokale ændringer fra deres naboer.

"Individuelle bier kan fortælle stammens retning baseret på deres forbindelse til deres naboer, "sagde Jacob Peters, der for nylig forsvarede sin ph.d. i OEB, og medforfatter af papiret. "Fordi stammerne på sværmen er højest øverst på sværmen, hvor den er forbundet til grenen - eller i dette tilfælde, tavlen - de ved, at de skal rykke op. Alle bier bevæger sig sammen, fordi de er påvirket af denne gradient, så det fører til en koordineret bevægelse. "

Forestil dig at spille Ring-a-Round-the-Rosy med bind for øjnene. Du ved ikke hvilken retning alle i cirklen bevæger sig, men du kender den retning, din nabo bevæger sig, fordi du holder deres hånd. Du ved ikke, hvornår alle falder ned, men du ved, hvornår du skal falde ned, fordi din nabo falder ned. Som bier i en sværm, du følger de tegn, der er forbundet med den lokale belastning fra din nabo.

Når klyngen flader ud under vandret rysten, belastningsdeling for de enkelte bier øges, men kolonien er generelt mere stabil - svarer til at krumme, når jorden ryster. Forskerne var i stand til at efterligne denne adfærd i en computersimulering ved at indføre regler på lokalt niveau.

Forskerne fandt også, at når bierne blev rystet lodret, klyngen tilpassede ikke sin form, fordi de lokale variationer i deformationer var mindre.

Denne forskning kan have bredere konsekvenser for, hvordan vi tænker på kontrolalgoritmer og samarbejdsmaskiner.

"Når vi bygger maskiner eller materialer, vi bruger simple kontrolalgoritmer, der er ovenfra og ned, hvor du har en centraliseret kommando, der styrer alle de bevægelige dele i maskinen, "sagde Peters." Men i dette system, bierne opnår denne koordinerede formændring uden en central controller. I stedet, de er som et sæt distribuerede agenter med deres egne controllere, og de skal finde en måde at koordinere uden eksplicit langdistancekommunikation. Ved at studere denne type systemer, det kunne inspirere til nye måder at tænke på distribueret kontrol af systemer i modsætning til traditionel centraliseret kontrol. "