רתימת הגאונות של הטבע: מדענים חושפים את המכניקה הסודית של רפסודות נמלת האש

מחקר חדש בוחן את הדרך שבה 'רפסודות' נמלים מתחברות כדי להבטיח הישרדות במהלך שיטפונות.

נמלים אש יוצרות רפסודות כדי לשרוד הצפה, אבל איך הקשרים האלה עובדים? ומה אפשר ללמוד מהם? פרופסור מאוניברסיטת בינגהמטון, אוניברסיטת ניו יורק, חוקר את השאלות הללו כדי להרחיב את הידע שלנו במדעי החומרים.

כאשר הצפה פוגעת באזור שבו חיות נמלים אש, תגובת ההישרדות שלהן היא להיצמד יחד ליצירת "רפסודה" ציפה שצפה ושומרת על המושבה מאוחדת. תחשוב על זה כמו חומר דחוס וסתגלן שבו אבני הבניין – נמלים בודדות – בעצם חיות.

עוזר פרופסור מאוניברסיטת בינגהמטון רוב וגנר הוביל את המחקר כחלק ממעבדת מכניקת החומר הרך של ורנרי באוניברסיטת קולורדו בולדר, שבה הם חקרו את התגובה ההסתגלותית של רפסודות חיות אלו. המטרות הן להבין כיצד הם משתנים באופן אוטונומי ומשנים את התכונות המכניות שלהם, ולאחר מכן לשלב את התגליות הפשוטות והשימושיות ביותר בחומרים מלאכותיים.

"מערכות חיות תמיד ריתקו אותי, כי הן משיגות דברים שהחומרים המהונדסים הנוכחיים שלנו לא יכולים – אפילו לא קרובים", אמר. "אנחנו מייצרים מערכות פולימריות בתפזורת, מתכות וקרמיקה, אבל הן פסיביות. המרכיבים אינם אוגרים אנרגיה ואז ממירים אותה לעבודה מכנית כפי שעושה כל מערכת חיה".

ואגנר רואה באחסון והמרה של אנרגיה זו חיונית לחיקוי ההתנהגויות החכמות והסתגלניות של מערכות חיים.

השוואת רפסודות נמלים לפולימרים

בפרסומם האחרון ב- הליכים של האקדמיה הלאומית למדעיםואגנר ושותפיו באוניברסיטת קולורדו חקרו כיצד רפסודות נמלים אש הגיבו לעומס מכני כאשר נמתחו, והם השוו את התגובה של רפסודות אלו לפולימרים דינמיים המרפאים את עצמם.

"פולימרים רבים מוחזקים יחד על ידי קשרים דינמיים שנשברים, אך יכולים להשתנות," אמר ואגנר. "כאשר נמשכים לאט מספיק, לקשרים האלה יש זמן לבנות מחדש את החומר כך שבמקום להישבר – הוא זורם כמו הרפש שהילדים שלנו משחקים איתו, או גלידה רכה. עם זאת, כאשר מושכים אותו מהר מאוד, הוא נשבר יותר כמו גיר. מכיוון שהרפסודות מוחזקות יחד על ידי נמלים הנצמדות זו לזו, הקשרים שלהן יכולים להישבר ולהתחדש. אז אני והקולגות שלי חשבנו שהם יעשו את אותו הדבר".

אבל ואגנר ומשתפי הפעולה שלו גילו שלא משנה באיזו מהירות הם משכו את רפסודות הנמלים, התגובה המכנית שלהם הייתה כמעט זהה, והן מעולם לא זרמו. ואגנר משער שהנמלים מתהדקות ומאריכות את אחיזתן באופן רפלקסיבי כשהן מרגישות כוח כי הן רוצות להישאר ביחד. הם דוחים או מכבים את ההתנהגות הדינמית שלהם.

ניסוי כדי לבדוק כיצד רפסודות נמלים אש הגיבו לעומס מכני כאשר נמתחו. קרדיט: רוברט וגנר

תופעה זו של קשרים שמתחזקים כאשר מפעילים עליהם כוח נקראת התנהגות קשרי תופס, והיא ככל הנראה משפרת את הלכידות עבור המושבה, מה שהגיוני להישרדות.

"כשאתה מושך בקשרים טיפוסיים בכמות מסוימת של כוח, הם הולכים להרפות מוקדם יותר, ואורך החיים שלהם יורד – אתה מחליש את הקשר על ידי משיכה בו. זה מה שרואים כמעט בכל מערכת פסיבית", אמר ואגנר. "אבל במערכות חיות, בגלל המורכבות שלהן, לפעמים יש לך קשרי תופס שנשארים לאורך זמן ארוך יותר תחת טווח מסוים של כוח מופעל. חלק מהחלבונים עושים זאת באופן מכניסטי ואוטומטי, אבל זה לא שהחלבונים מקבלים החלטה. הם פשוט מסודרים בצורה כזו שכאשר מופעל כוח, הוא חושף את אתרי הקישור הללו שנצמדים או 'נתפסים'."

ואגנר מאמין שחיקוי קשרי התפס הללו במערכות מהונדסות עלול להוביל לחומרים מלאכותיים המפגינים חיזוק עצמי אוטונומי ומקומי באזורים עם מתח מכני גבוה יותר. זה יכול לשפר את משך החיים של שתלים ביו-רפואיים, דבקים, חומרי סיבים מרוכבים, רכיבי רובוטיקה רכים ומערכות רבות אחרות.

צבירות קולקטיביות של חרקים כמו רפסודות נמלים אש כבר מעוררות השראה בחוקרים לפתח חומרים בעלי תכונות והתנהגויות מכניות המגיבות לגירויים. נייר ב חומרי טבע מוקדם יותר השנה – בהובלת מעבדת ה-Ware Responsive Biomaterials בטקסס A&M וכולל תרומות של ואגנר ויועצו לעבודה לשעבר, פרופסור פרנק ג'יי ורנרי – מדגים כיצד סרטים העשויים מג'לים מיוחדים או חומרים הנקראים אלסטומרים גבישים נוזליים יכולים להתפתל עקב חימום, ולאחר מכן להסתבך זה עם זה כדי ליצור מבנים דחוסים, דמויי מוצק שנוצרו בהשראת הנמלים הללו

"התקדמות טבעית של עבודה זו היא לענות על האופן שבו אנו יכולים לגרום לאינטראקציות בין הסרטים הללו או אבני בניין רכות אחרות 'לתפוס' תחת עומס כמו שנמלים האש וכמה אינטראקציות ביומולקולריות עושות", אמר ואגנר.