Lý thuyết vật chất hoạt động giải thích hành vi nhóm của kiến lửa

Kiến là những côn trùng mang tính xã hội và loài Solenopsis invicta, hay còn gọi là kiến lửa, không ngoại lệ. Các tương tác xã hội trong loài côn trùng thích hung hăng đến từ Nam Mỹ này, đã được lý thuyết vật chất hoạt động giải thích hành vi nhóm như một tương tác với các cơ chế mang tính bản chất của cả hệ thống.

Đây là một trong những kết luận của bài báo được xuất bản trên Science Advances của các nhà nghiên cứu Alberto Fernández-Nieves, Caleb Anderson, Khoa Vật lý, ĐH Barcelona, và Guillermo Goldsztein, Viện Công nghệ Georgia.
Nghiên cứu cho thấy mật độ là yếu tố thiết yếu để kiến lửa trải nghiệm các chu kỳ hoạt động và trải qua các thời kỳ nhóm côn trùng này chuyển động thu thập. Trong những điều kiện mật độ [nhóm] cao, các chu kỳ hoạt động đã được hiển thị theo một cách đáng ngạc nhiên, khi cộng đồng kiến tổ chức thành một cột thẳng đứng, tạo ra các sóng chuyển động lan truyền xa hơn.
Kiến lửa như một mô hình trong vật lý
Kiến lửa, một loại côn trùng trong Bộ Cánh màng có khả năng sinh sản và phân tán cao, đã được sử dụng làm mô hình tham cheieus cho nghiên cứu về các hệ chuyển động với mật độ cao. Trong những điều kiện khác biệt, các trải nghiệm thu thập của kiến được gọi là các chu kỳ hoạt động: nhóm kiến thay đổi qua lại trong một hoàn cảnh có nhiều con kiến hoàn toàn tĩnh tại rồi tiến tới một hoàn cảnh có nhiều con kiến đang chuyển động.
“Nghiên cứu về các hệ đậm đặc chuyển động trong một phòng thí nghiệm không hấp dẫn lắm. Dưới góc nhìn vật lý, kiến được coi là các hạt sử dụng năng lượng hóa học để chuyển động. Chúng có thể tập hợp một cách dễ dàng để tạo thành một tập hợp đậm đặc có chuyển động mà chúng tôi có thể sử dụng để giải quyết những câu hỏi về vật chất chuyển động”, Alberto Fernández-Nieves, giáo sư ICREA tại Khoa Vật lý chất đậm đặc và Viện Các hệ thống phức hợp UB (UBICS), lưu ý.
Vật chất hoạt động dựa trên những hạt có thể tự di chuyển, và kết quả là, chuyển động tùy theo sự tiêu hao năng lượng địa phương, không giống như nguyên tử hay các hệ keo, nơi các thành phần chuyển động do sự thay đổi của nhiệt độ.
Từ lực hút xã hội đến hành vi thu thập
Có hai hành vi lớn xuất hiện trong vật chất hoạt động: đầu tiên là sự chuyển đổi thành một trạng thái trong đó các tập hạt chuyển động theo cùng một hướng (mode thu thập), một hành vi thông thường liên quan đến bầy chim hoặc các đàn cá. Một biểu thị khác khi chuyển động của các hạt suy giảm với khoảng cách tách cặp của chúng. Trong trường hợp này, khi các hạt tiến gần hơn, chúng ngừng chuyển động, một kết quả có thể hiểu là một lực hút xuất hiện giữa chúng. Trong những điều kiện nhất định, lực hút có thể dẫn đến sự hình thành của tập hợp và trong một số trường hợp, đến việc tách ra một pha hình thành bởi những con kiến tĩnh tại và một pha hình thành bởi những con kiến chuyển động.
Theo nghiên cứu này, mật độ là điều tối quan trọng với hành vi thu thập của kiến để dẫn đến thay đổi giữa hai dạng hành vi này. “Với một mật độ thấp hơn, pha chúng tôi quan sát liên quan đến các lực hút xã hội”, các tác giả cho biết, “Những thay đổi đến pha chuyển động thu thập chỉ được thấy khi mật độ đủ dày. Điều này giải thích tại sao các con sóng luôn luôn được tạo ra ở gần với chỗ chân các cột kiến, nơi mật độ ở mức cao hơn”.
Nghiên cứu cho biết lực hút xã hội của kiến – ví dụ tương tác của chúng – có thể được giải thích như một hiện tượng cảm ứng tùy thuộc vào một di chuyển sụt giảm với sự phân tách của kiến – kiến. Tuy nhiên, ở các mức mật độ cao, lực hút biến mất và cộng đồng kiến chấp thuận mode thu thập nhóm với kết quả là các sóng hoạt động lan truyền.
“Mật độ đó và các sóng hoạt động phản chiếu các trạng thái của chu kỳ hoạt động, trong đó các con kiến đàn chuyển động phản hồi với pha thu thập, vốn tương tự với pha tập hợp của đàn chim hoặc đàn cá”, nhóm chuyên gia giải thích.

Mode thu thập của kiến trong môi trường
Trong tự nhiên, mode thu thập của kiến có thể được xem như ở trong những điều kiện khác biệt. Các con côn trùng vốn đến từ vùng có lượng mưa phong phú và có thể dẫn đến lụt lội đã tiến hóa để vượt qua các kịch bản cực đoan trong các chu kỳ hoạt động.
“Để sống sót trong những hiện tượng đó, kiến lửa đã xây dựng những cái vè trong đó mọi cá nhân tụ hợp lại với nhau; do đó, mật độ của bè cũng rất cao. Theo những nghiên cứu trước, khi kiến ở trên bè, kiến trải qua những thời kỳ bất động nơi hình dạng của bè là hình tròn. Trong kịch bản cuối cùng, hình dạng của bè trở nên được định hình bởi sự hình thành của những xâm nhập lồi thu thập hình ngón tay”, các tác giả viết.
Trong suốt thời kỳ tĩnh tại, cái bè có thể hành xử như một khối đậm đặc đàn hồi giúp chống lại tác động của các vật thể đang bị mưa cuốn trôi theo dòng nước. Cùng thời điểm, sự hình thành của hình dạng hình ngón tay cho phép những con kiến tìm kiếm được mặt đất vững chắc. Nếu tìm được, chúng sẽ di cư đến vùng đất mới và nếu không thì chúng sẽ một lần nữa tiếp tục các chu kỳ theo thời gian cho đến khi thành công.
“Do đó, chúng tôi nghĩ là các thời kỳ chuyển động bao gồm cả sự hình thành của các ngón tay tương tự với mode thu thập mà chúng tôi quan sát trong thực nghiệm và nó tạo ra những làn sóng kiến trong các cột thẳng đứng”, họ kết luận.
Vật chất hoạt động và các hệ bất cân bằng
Các biến thiên trong trạng thái tập hợp kiến có gợi ý về đặc tính vật liệu. Các nhà nghiên cứu giải thích là trong nghiên cứu trước đây, họ “tìm thấy là các đặc tính cơ học thay đổi phụ thuộc một cách chặt chẽ vào trạng thái của thu thập kiến. Trong các pha lực hút lấn át, hành vi này tương đồng với một chất đậm đặc đàn hồi. Tương phản, trong các pha hoạt động, cộng đồng được tái tổ chức ở cấp độ hạt thành dạng chất lỏng”.
“Nếu phân tích như một vật chất hoạt động, cộng đồng kiến có thể thay đổi hành vi về mặt cơ chế thông qua những thay đổi trong hoạt động của chúng. Trong khoa học vật liệu, đây là dạng thành công bởi thay đổi cấu trúc của vật chất. Trong trường hợp của kiến, điều này có thể xảy ra khi ở xa trạng thái cân bằng. Sự chuyển pha đậm đặc-sang-lỏng là một kết quả của những cơ chế nội tại mang đến hệ nằm-ngoài-sự-cân-bằng. Nó gợi nhớ đến hành động của các hạt vật chất hoạt động. Nó không liên quan đến những thay đổi về cấu trúc; các cộng đồng kiến mật độ cao luôn luôn rối loạn. Hành vi này gợi chúng ta nhớ đến nhân vật chính trong phim Kẻ hủy diệt luôn thay đổi một cách tự nhiên từ trạng thái lỏng sang rắn. Theo nghĩa này, bất chấp sự phức tạp của nó, Kẻ hủy diệt chính là vật chất hoạt động”, các nhà nghiên cứu kết luận.

Nguyễn Nhàn  tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2023-01-theory-fire-ant-group-behavior.html

https://www.sciencedaily.com/releases/2023/01/230119112750.htm

————————————————-

1.https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add0635