Nghiên cứu mới chứng minh kiến là những "thợ đào hầm" kiệt xuất

Các nhà khoa học của Caltech đã sử dụng ảnh dựng từ tia X để nắm bắt cấu trúc vật lý của tổ kiến bên dưới lòng đất.

Kiến là những “gã thợ” đào bới phi thường, xây dựng nên những chiếc tổ trau chuốt, nhiều lớp được thông với nhau bởi một mạng lưới đường hầm phức tạp, đôi khi độ sâu đến hơn 7 mét.

Mới đây, một nhóm các nhà khoa học đến từ Viện công nghệ Caltech đã sử dụng hình ảnh X-quang để ghi lại quá trình kiến tạo nên đường hầm của chúng. Họ phát hiện ra rằng loài kiến đã tiến hóa để có thể cảm nhận trực giác những hạt đất đá nào có thể loại bỏ nhưng vẫn duy trì được sự ổn định của cấu trúc tổ. Các phát hiện được đăng tải trong bài báo xuất bản của Kỷ yếu Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ.

Hai con kiến đang đào hầm theo đường gel màu xanh lá cây. (ảnh: Kimberly Hosey).

Khi hoạt động theo nhóm, kiến sẽ làm việc như một tổ hợp. Một vài con kiến ở cách xa nhau sẽ làm việc như những cá thể riêng lẻ. Nhưng nếu được tập hợp lại gần nhau, chúng sẽ hoạt động như một khối duy nhất, phô bày được cả đặc tính của thể rắn và lỏng. Ví dụ, bạn có thể đổ kiến từ ấm trà ra như một thể lỏng hoặc những con kiến cũng có thể liên kết với nhau để tạo thành hình tháp hoặc bè nổi. Chúng có thể là những sinh vật tí hon với bộ não nhỏ bé, nhưng loài côn trùng mang tính xã hội này có khả năng tự tổ chức tập thể thành một cộng đồng hiệu quả cao đảm bảo khả năng sống sót bầy đàn.

Cách đây vài năm, nhà sinh học hành vi Guy Theraulaz thuộc Viện Nghiên cứu Cao cấp ở Toulouse, Pháp và một số đồng nghiệp đã kết hợp các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm với kiến ảo và mô hình máy tính để xác định 3 quy tắc đơn giản chi phối hành vi đào hầm của loài sinh vật này.

Có 3 hành vi cơ bản:

• (1) Những con kiến nhặt hạt với tốc độ không đổi (khoảng hai hạt mỗi phút);
• (2) Kiến ưu tiên thả hạt của chúng gần các hạt khác để tạo thành cột trụ;
• (3) Kiến thường chọn các hạt được đánh dấu bằng pheromone sau khi chúng được xử lý bởi những con kiến khác.

Theraulaz và cộng sự đã xây dựng mô phỏng máy tính dựa trên 3 quy tắc đó và nhận thấy rằng sau một tuần, những con kiến ảo của họ đã xây dựng nên một cấu trúc gần giống với tổ kiến thật. Họ kết luận rằng những quy tắc đó xuất hiện từ sự tương tác cục bộ giữa các cá thể kiến, không cần một trung tâm điều phối.

Gần đây hơn, một bài báo năm 2020 đã phát hiện ra rằng động lực xã hội của kiến khi phân công lao động cũng tương tự như cách phân cực chính trị phát triển trong mạng xã hội của con người. Kiến cũng vượt trội trong việc điều tiết luồng giao thông của chính chúng. Một nghiên cứu năm 2018 của nhóm Daniel Goldman tại Học viện Công nghệ Georgia Tech, Mỹ đã tìm hiểu cách thức kiến lửa tối ưu hóa đào hầm mà không gây tắc đường. Nhóm đã kết luận rằng khi một con kiến chạm vào một đường hầm mà các con kiến khác đang làm việc, nó sẽ rút lui để tìm một đường hầm khác. Và chỉ một phần nhỏ đàn kiến sẽ đào hầm tại một thời điểm, 30% trong số đó thực hiện 70% công việc.

David Hu và nhóm của mình tại Georgia Tech cũng nghiên cứu về tập tính của kiến lửa. Vào năm 2019, ông và các đồng nghiệp đã phát hiện ra rằng chúng có thể chủ động cảm nhận những thay đổi về lực tác động lên “bè nổi” của mình. Lũ kiến nhận biết các yếu tố khác nhau của dòng chất lỏng và có thể điều chỉnh cách vận động của chúng cho phù hợp để duy trì sự ổn định của bè. Một mái chèo di chuyển qua nước sông sẽ tạo ra một loạt dao động xoáy, khiến bè kiến quay theo. Những dòng xoáy này cũng có thể tác động thêm lực lên “bè”, đủ để làm vỡ nó. Những thay đổi về cả lực ly tâm và lực cắt tác động lên là khá nhỏ - có thể từ 2% đến 3% ảnh hưởng của trọng lực thông thường. Tuy nhiên, bằng cách nào đó, những con kiến vẫn cảm nhận được những thay đổi dù là rất nhỏ bằng cơ thể của chúng.

Nghiên cứu mới nhất này tập trung vào loài kiến gặt đập phương Tây (Pogonomyrmex Occidentalis), chúng được lựa chọn vì khả năng đào bới sung mãn dù là với các hạt đất ở tỷ lệ milimet. Đồng tác giả José Andrade, một kỹ sư cơ khí tại Caltech, đã có được niềm cảm hứng khám phá loài kiến đào hầm sau khi được xem các ví dụ về nghệ thuật kiến trúc ổ kiến của chúng. Vật mẫu về kiến trúc đường hầm sẽ được tạo ra bằng cách đổ một số loại kim loại nóng chảy, thạch cao hoặc xi măng vào một gò kiến, chảy qua tất cả các đường hầm và cuối cùng cứng lại. Sau đó, đất xung quanh được loại bỏ để lộ ra cấu trúc phức tạp cuối cùng. Những gì thu được đã khiến Andrade ấn tượng đến mức tự nghi vấn liệu những con kiến có thực sự “biết” được cách thức đào nên những kiến trúc đó hay không.

Phía trên bên trái: Thiết kế thử nghiệm; Phía trên bên phải: Hình ảnh X-quang của một đường hầm đã hoàn thành; Phía dưới bên trái: Mô hình đã loại bỏ hạt; Phía dưới bên phải: Mô hình tái tạo kỹ thuật số các hạt đã được kiến mang đi so với ban đầu.

“Chúng tôi không phỏng vấn bất kỳ con kiến nào để hỏi xem chúng có biết mình đang làm gì không, nhưng chúng tôi đã bắt đầu với giả thuyết rằng chúng đào bới một cách có chủ đích”, Andrade nói.

Nói cách khác, các nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng những con kiến mò mẫm trong đất để tìm kiếm các hạt đất tơi xốp, không khít chặt để loại bỏ, giống như cách người chơi lấy các khối rời trong trò rút tháp gỗ Jenga và chỉ để lại các mảnh quan trọng, chịu lực. Những khối đó là một phần của cái được gọi là “chuỗi lực” có nhiệm vụ chêm chặt giữa các khối (hoặc các hạt đất dạng hạt, trong trường hợp này là ổ kiến) với nhau để tạo ra một cấu trúc ổn định.

Trong các thí nghiệm của mình, Andrade và các đồng nghiệp của ông đã trộn 500 ml đất Quikrete với 20 ml nước và đặt hỗn hợp vào một vài cốc đất nhỏ. Kích thước của những chiếc cốc đã được chọn lọc để có thể dễ dàng đặt chúng vào bên trong máy quét CT. Thông qua quá trình thử nghiệm lần mò và sai sót - bắt đầu với một con kiến và tăng dần số lượng - các nhà nghiên cứu đã xác định được số lượng kiến cần thiết để đạt được tỷ lệ đào hầm tối ưu: 15.

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành quét trong 4 phút, quét độ phân giải một nửa sau mỗi 10 phút trong khi kiến đào hầm để theo dõi sự tiến triển. Từ các hình ảnh 3D thu được, họ đã tạo ra một “ảnh đại diện kỹ thuật số” cho mọi hạt trong mẫu, ghi lại hình dạng, vị trí và hướng của từng hạt - tất cả đều có thể ảnh hưởng đáng kể đến sự phân bố lực trong các mẫu đất. Các nhà nghiên cứu cũng có thể tìm ra thứ tự từng hạt bị kiến loại bỏ bằng cách so sánh các hình ảnh chụp được ở các trường hợp khác nhau trong từng thời gian.

Chuỗi lực của hạt (đường màu đen) tại cùng một vị trí trong đất trước (trái) và sau (phải) khi kiến đào hầm.

Những con kiến không phải lúc nào cũng hợp tác khi cần mẫn đào đường hầm. “Chúng thuộc dạng thất thường. Chúng đào bất cứ khi nào muốn. Nếu cho tất thảy những con kiến vào một thùng chứa, một số sẽ bắt đầu đào ngay lập tức và có được mức độ tiến triển đáng kinh ngạc. Nhưng những con khác sẽ mất hàng giờ đồng hồ và sẽ chẳng ‘bắt tay vào việc’ ngay. Một số khác thì đào trong một thời gian và sau đó dừng lại nghỉ ngơi”, Andrade nói.

Andrade và Parker còn nhận thấy một vài mô hình đào hầm mới trong phân tích của họ. Chẳng hạn như, kiến thường đào dọc theo phần cạnh bên trong của cốc, một chiến lược hiệu quả vì các cạnh của cốc có thể đóng vai trò như một phần cấu trúc đường hầm, giúp tiết kiệm được chút công sức. Những con kiến cũng ưu chuộng những đường thẳng cho đường hầm của chúng, một chiến thuật nhằm tối ưu hóa hiệu quả. Chúng cũng có xu hướng đào đường hầm càng dốc càng tốt. Giới hạn dốc lớn nhất trong môi trường dạng hạt như đất được gọi là “góc nghỉ”, vượt qua góc đó cấu trúc sẽ sụp đổ. Và bằng cách nào đó, những con kiến có thể cảm nhận được ngưỡng tới hạn này, đảm bảo rằng đường hầm của chúng không bao giờ vượt quá góc nghỉ.

Về phương diện vật lý cơ bản, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng khi những con kiến loại bỏ các hạt đất để đào đường hầm, các chuỗi lực tác động lên cấu trúc sẽ tự sắp xếp lại từ sự phân bố ngẫu nhiên để tạo thành một dạng lớp đệm xung quanh rìa đường hầm. Sự phân bố lại lực này giúp củng cố các bức tường sẵn có và làm giảm áp lực do các hạt ở cuối đường hầm gây ra, giúp kiến dễ dàng loại bỏ những hạt đó để mở rộng đường hầm xa hơn nữa.

Parker cho hay: “Đó là một bí ẩn trong cả mặt kỹ thuật và sinh thái học của loài kiến khi làm thế nào chúng xây dựng nên những kiến trúc mà có thể tồn tại trong nhiều thập kỷ. Hóa ra là bằng cách loại bỏ các hạt theo mô hình mà chúng ta đã quan sát được, kiến sẽ hưởng lợi từ các chuỗi lực chu vi theo đường tròn này khi chúng đào sâu xuống”. Bên cạnh đó, những con kiến sẽ gõ vào từng hạt để đánh giá các lực cơ học tác động lên đó.

Parker cho rằng đó như là một dạng thuật toán hành vi. “Thuật toán đó không tồn tại trong một con kiến duy nhất. Đó là hành vi quần thể mới xuất hiện của tất cả những ‘công nhân’ này, nó hoạt động giống như một siêu tổ chức. Và cách thức mà thuật toán hành vi đó có thể truyền tải khắp các bộ não nhỏ bé của những con kiến là một điều kỳ diệu của thế giới tự nhiên mà chúng ta chưa có lời giải thích”, ông nói.

• Tại sao nhiều phi tần trẻ đẹp của hoàng đế lại không thể sinh con?
• Báu vật 2.000 năm từ thành cổ La Mã gây sốc vì quá... hiện đại
• Chiếc nắp nhỏ bên trong chai dầu ăn có tác dụng bất ngờ mà không phải ai cũng biết