Para peneliti mengidentifikasi aturan perilaku sederhana yang memungkinkan makhluk kecil ini untuk bersama-sama membangun struktur rumit - rakit dan menara - tanpa ada yang bertanggung jawab.
Bagaimana mereka tahu apa yang harus dilakukan? Gambar melalui Tim Nowack.
Oleh Craig Tovey, Institut Teknologi Georgia
Jatuhkan rumpun 5.000 semut api ke dalam genangan air. Dalam beberapa menit rumpun akan rata dan menyebar menjadi pancake bundar yang bisa mengambang selama berminggu-minggu tanpa menenggelamkan semut.
Jatuhkan rumpun semut yang sama di dekat tanaman di tanah padat.
Mereka akan memanjat di atas satu sama lain untuk membentuk massa padat di sekitar batang tanaman dalam bentuk Menara Eiffel - kadang-kadang setinggi 30 semut. Menara semut berfungsi sebagai perkemahan sementara yang mengusir air hujan.
Ratusan ribu semut menciptakan menara bersama - tetapi bagaimana? Gambar melalui Candler Hobbs, Georgia Tech.
Bagaimana dan mengapa semut membuat bentuk yang simetris tetapi sangat berbeda ini? Mereka bergantung pada sentuhan dan bau - bukan penglihatan - untuk memahami dunia, sehingga mereka hanya dapat merasakan apa yang sangat dekat dengan mereka. Bertentangan dengan kepercayaan umum, ratu tidak mengeluarkan perintah kepada koloni; dia menghabiskan hidupnya bertelur. Setiap semut mengendalikan dirinya sendiri, berdasarkan informasi yang dikumpulkan dari sekitarnya.
Sebagai seorang insinyur sistem dan ahli biologi, saya terpesona oleh keefektifan koloni semut dalam berbagai tugas, seperti mencari makanan, mengambang di air, melawan semut lain dan membangun menara dan sarang bawah tanah - semuanya dilakukan oleh ribuan makhluk purblind yang otaknya memiliki kurang dari seperseribu ribu neuron yang dimiliki manusia.
Dalam penelitian sebelumnya, rekan saya David Hu dan saya menyelidiki bagaimana makhluk-makhluk kecil ini menenun tubuh mereka menjadi rakit penyelamat yang tahan air yang mengambang selama berminggu-minggu di perairan banjir.
Sekarang kami ingin memahami bagaimana semut yang sama berkoordinasi untuk berkumpul menjadi struktur yang sama sekali berbeda di darat - sebuah menara yang terbuat dari ratusan ribu semut api yang masih hidup.
Seberapa mendukung semut api?
Setengah dari semut di Georgia adalah semut api, Solenopsis invicta. Untuk mengumpulkan mata pelajaran laboratorium kami, kami perlahan-lahan menuangkan air ke sarang bawah tanah, memaksa semut ke permukaan. Lalu kita tangkap mereka, bawa ke lab, dan simpan di tempat sampah. Setelah beberapa gigitan yang menyakitkan, kami belajar untuk melapisi tempat sampah dengan bedak bayi untuk mencegah mereka melarikan diri.
Semut api membentuk menara di sekitar tiang sempit. Gambar melalui Georgia Tech.
Untuk memicu pembangunan menara mereka, kami menempatkan gumpalan semut di cawan petri dan mensimulasikan batang tanaman dengan tiang vertikal kecil di tengahnya. Hal pertama yang kami perhatikan tentang menara mereka adalah selalu sempit di bagian atas dan lebar di bagian bawah, seperti bel terompet. Tumpukan semut mati berbentuk kerucut. Mengapa bentuk lonceng?
Tebakan pertama kami, bahwa lebih banyak semut diperlukan di bagian bawah untuk menopang lebih banyak berat badan, terbukti akurat. Lebih tepatnya, kami berhipotesis bahwa masing-masing semut bersedia untuk menopang bobot sejumlah semut lain, tetapi tidak lebih.
Dari hipotesis ini, kami memperoleh rumus matematika yang memprediksi lebar menara sebagai fungsi ketinggian. Setelah mengukur menara yang terbuat dari jumlah semut yang berbeda, kami mengkonfirmasi model kami: semut bersedia menopang berat tiga saudara mereka - tetapi tidak lebih. Jadi jumlah semut yang dibutuhkan dalam lapisan harus sama dengan di lapisan berikutnya (untuk mendukung berat semua semut di atas lapisan berikutnya), ditambah sepertiga jumlah di lapisan berikutnya (untuk mendukung berikutnya lapisan).
Belakangan, kami mengetahui bahwa arsitek Gustave Eiffel menggunakan prinsip yang sama untuk beban yang sama untuk menara yang terkenal itu.
Lingkari kutub
Selanjutnya kami bertanya bagaimana semut api membangun menara. Tentu saja mereka tidak melakukan perhitungan matematika yang akan memberi tahu mereka berapa banyak semut yang harus pergi ke mana untuk membuat bentuk yang berbeda ini. Dan mengapa perlu waktu 10 hingga 20 menit daripada hanya satu atau dua menit yang dibutuhkan untuk membuat rakit? Ini membawa kami tujuh hipotesis percobaan selama dua tahun yang membuat frustrasi untuk menjawab.
Saksikan semut membangun menara secara real time.
Meskipun kami menganggap sebuah menara terbuat dari lapisan horisontal, semut tidak membangun menara dengan menyelesaikan lapisan bawah dan menambahkan satu lapisan lengkap pada satu waktu. Mereka tidak bisa "tahu" sebelumnya seberapa lebar lapisan bawahnya. Tidak ada cara bagi mereka untuk menghitung berapa banyak semut yang ada, apalagi untuk mengukur lebar lapisan atau menghitung lebar yang diperlukan.
Sebaliknya, semut yang berlarian di permukaan menempel dan menebal menara di semua lapisan. Lapisan atas selalu terbentuk di atas apa yang sebelumnya menjadi lapisan atas. Menjadi yang tersempit, ia terdiri dari cincin semut di sekitar kutub, masing-masing mencengkeram dua semut yang berdekatan secara horizontal.
Pengamatan utama kami adalah bahwa jika sebuah cincin tidak sepenuhnya mengelilingi kutub, itu tidak mendukung semut lain yang mencoba membangun cincin lain di atasnya. Setelah mengukur cengkeraman semut dan kekuatan rekat, kami menganalisis fisika cincin dan menentukan bahwa cincin lengkap adalah 20 hingga 100 kali lebih stabil daripada yang tidak lengkap. Itu tampak seperti pembentukan cincin yang mungkin menjadi penghambat pertumbuhan menara.
Hipotesis ini memberi kami prediksi yang bisa diuji. Tiang berdiameter lebih besar memiliki lebih banyak tempat cincin yang harus diisi, sehingga menara harus tumbuh lebih lambat. Untuk mendapatkan prediksi kuantitatif, kami secara matematis memodelkan gerakan semut sebagai arah acak dengan jarak sekitar satu sentimeter - sama seperti pada model gerakan semut kami untuk pembentukan rakit semut.
Kemudian, kami memfilmkan closeup semut bergerak ke tempat-tempat di atas ring. Berdasarkan lebih dari 100 titik data, kami mendapat konfirmasi kuat dari model pengisian cincin kami. Ketika kami menjalankan eksperimen pembangunan menara dengan berbagai diameter tiang, tentu saja, menara tumbuh lebih lambat di sekitar kutub berdiameter lebih besar, pada tingkat yang sesuai dengan prediksi kami dengan cukup baik.
Tenggelam dalam gerakan lambat
Ada satu kejutan besar yang akan datang. Kami berpikir bahwa begitu menara selesai, hanya itulah yang ada. Namun dalam salah satu uji coba eksperimental kami, kami tidak sengaja membiarkan kamera video berjalan selama satu jam ekstra setelah menara dibangun.
Kemudian-Ph.D.-mahasiswa Nathan Mlot adalah ilmuwan yang terlalu baik untuk hanya membuang data pengamatan. Tetapi dia tidak ingin membuang waktu satu jam untuk menyaksikan tidak ada yang terjadi. Jadi dia menonton video dengan kecepatan normal 10x - dan apa yang dia lihat sangat mengagumkan.
Video selang waktu dari menara semut.
Pada kecepatan 10x, semut-semut permukaan bergerak begitu cepat sehingga kabur di mana menara di bawahnya terlihat, dan menara itu perlahan-lahan tenggelam. Ini terjadi terlalu lambat untuk membedakan dengan kecepatan normal.
Kami mengamati lapisan menara bawah dari bawah melalui cawan petri transparan. Semut di sana membentuk terowongan dan secara bertahap keluar dari menara. Mereka kemudian bergegas tentang permukaan menara sampai akhirnya mereka bergabung dengan cincin atas baru.
Kami tidak bisa melihat semut jauh di dalam menara. Apakah seluruh menara atau hanya permukaannya yang tenggelam? Kami mencurigai yang pertama, karena semut dalam rumpun dan rakit saling menempel sebagai satu massa.
Kami meminta Daria Monaenkova, yang baru saja menemukan teknik 3D X-ray novel. Kami mendoping beberapa semut dengan yodium radioaktif dan melacak mereka. Setiap semut yang terlacak di menara tenggelam.
Fotografi sinar-X menunjukkan semut (titik-titik hitam) berjalan di sisi menara, hanya untuk tenggelam ketika mereka mencapai kolom.
Mungkin implikasi paling luar biasa dari penelitian ini adalah bahwa semut tidak perlu “tahu” apakah mereka semua berperilaku dengan cara yang sama. Tampaknya mereka mengikuti aturan gerakan sederhana yang sama: Jika semut bergerak di atas Anda, tetap di tempatnya. Jika tidak, gerakkan secara acak, dan berhenti hanya jika Anda mencapai ruang kosong yang berdekatan dengan setidaknya satu semut stasioner.
Begitu menara dibangun, semut bersirkulasi melewatinya sambil mempertahankan bentuknya. Kami terkejut; kami pikir semut akan berhenti membangun menara mereka begitu tingginya maksimal. Sebelumnya, ketika kami mempelajari rakit semut, kami terkejut dengan cara yang berlawanan. Kami pikir semut akan bersirkulasi melalui rakit untuk bergantian berada di bawah air di bagian bawah. Sebaliknya, semut di bagian bawah dapat tetap di tempatnya selama berminggu-minggu.
Craig Tovey, Profesor Teknik Industri & Sistem dan Co-Direktur Pusat Desain Terinspirasi Secara Biologis, Institut Teknologi Georgia
Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation. Baca artikel aslinya.