Populære Innlegg

Redaksjonens - 2019

Kollektivmasse: Buzzing midges inspirerer til ny svømmeteori

Anonim

Et team av forskere basert i Israel og USA har funnet en matematisk likhet mellom svømmedynamikk og gravitasjonsinteraksjoner. Studien, som nettopp har blitt publisert i New Journal of Physics, kunne gi et stort sprang fremover for å forstå massebevegelsen av flygende insekter.

annonse


Forskere har lenge vært fascinert av dyrs kollektive oppførsel. Den koordinerte bevegelsen av skoler av fisk eller fuglefugler kan for eksempel bygges opp fra kortvarige samspill hvor enkeltpersoner har en tendens til å bevege seg mye som sine naboer. Så langt, så bra, til du kommer til sverdet av insekter, hvor en annen tilnærming er nødvendig.

I motsetning til fisk eller fugler, er ikke insekter rettet mot hverandre når de er i bevegelse, og den dominerende samspillet som holder sværmen sammen ser ut til å være mye lengre rekkevidde. For å finne ut mer, besluttet teamet å fokusere på midger som de er grei å høste og studere i et kontrollert laboratoriemiljø. Forsøkene ble utført på Yale University i USA med teoretisk innsats fra forskere fra Weizmann Institute, Israel.

I likhet med andre insekter som fruktfluer, møll og bier, har midger et organ som er følsomt for lyd kjent som Johnston's orgel, som er en del av sine antenner. Til forskerne fremhevet dette den sannsynlige betydningen av akustiske interaksjoner i swarming, hvor lyden ble opprettet mens de flygende insekter slo sine vinger.

"Vi startet ut fra antakelsen om at når en midge hører en annen, reagerer den ved å akselerere mot kilden med en styrke som er proporsjonal med den mottatte lydintensiteten, " sa Dan Gorbonos, medlem av Weizmann forskergruppe. "Forfallets hastighet av lydintensiteten faller av etter en invers-kvadratisk lov - akkurat som gravitasjonssamarbeidet mellom to masser gjør."

Ved å anvende sin modell for kollektiv dyreadferd, fant forskerne likhet i strukturen av midge swarms og astrofysiske gjenstander som globulære klynger som består av tusenvis av stjerner. Imidlertid er det en stor forskjell mellom den virkelige tyngdekraften som virker mellom massene og denne effektive akustiske samspillet at gruppen dubs 'adaptiv tyngdekraft'.

For å forstå lagets tilnærming er det nyttig å vurdere at for mange dyr er oppfatningen av lyd ikke løst, men tilpasser seg i stedet til total lydintensitet. Våre ører, for eksempel, oppfører seg på denne måten. Vi finner det enkelt å dechifere en hviske i et stille miljø, men folk må rope for å bli forstått i et støyende rom.

"Selv om det ikke er mye kjent med midgens fysiologi, forventer vi å finne en lignende mekanisme i Johnston-orgelet, " kommenterte Gorbonos. "Derfor ville vi forvente at midgene vil redusere følsomheten i et tett befolket miljø, og vi fant bevis for det i eksperimentelle data."

Denne "adaptivitet" -funksjonen bidrar til å forklare hvorfor sværmen ikke kollapser på seg selv til tross for tyngdekraften-lignende samspillet. Når bakgrunnsbelysningen er for høy, og lokalt miljø er for tett, blir følsomheten senket og hver enkelt midge reagerer mindre på den attraktive trekken til naboene.

Samarbeidsprosess

Videoopptaket og analysen laget av teamet for å generere eksperimentelle data for å teste sin matematiske modell ble først utviklet for å undersøke turbulente væskestrømmer. Nick Ouellette, nå basert på Stanford University, skrev opprinnelig programvaren for partikkelsporing og senere utforsket søknaden som et verktøy for måling av midge swarms. James Puckett og Rui Ni (som deretter var postdocs i Ouellettes lab) bidro til å demonstrere prosessen.

"Samarbeidet startet da Ouellette besøkte Weizmann-instituttet og ga et seminar om sin midgeforskning, som fikk Nir Govs oppmerksomhet, " sa Gorbonos. "Det var Govs ide å låne verktøy fra gravitasjon for å modellere midger, noe som førte til resultatene i dette papiret." Reuven Ianconescu ble med i teamet ledet av Nir Gov for å jobbe med simuleringene, etterfulgt av Gorbonos, hvis bakgrunn ligger innenfor gravitasjonsfysikk.

Gruppen ser denne adaptive modellen er en prototype for beskrivelser av ulike typer kollektive systemer med lang rekkevidde-interaksjoner - alt fra andre akustiske interaksjoner i dyreriket til biologiske systemer med mye mindre skalaer, som for eksempel svømmende celler.

annonse



Historie Kilde:

Materialer levert av IOP Publishing . Merk: Innholdet kan redigeres for stil og lengde.


Tidsreferanse :

  1. Dan Gorbonos et al. Akustiske interaksjoner i lang rekkevidde i insektsværmer: en adaptiv tyngdekraftsmodell . New J. Phys, 2016 DOI: 10, 1088 / 1367-2630 / 18/7/073042