Математики нашли закон построения термитников

Американские и французские ученые разработали математическую модель, объясняющую сложную архитектуру жилищ термитов и способы их постройки. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Термитники — одни из самых сложных архитектурных сооружений, построенных группой животных без какого-либо плана и возникающие в результате самоорганизованных строительных действий тысяч крошечных слепых существ.

Исследователи из Гарвардского университета под руководством Александра Хейде (Alexander Heyde) вместе с коллегами из Тулузского университета Поля Сабатье раскопали две подземные колонии африканских термитов Apicotermes lamani, изучили внутреннее строение методом компьютерной томографии и визуализировали их структуру. Также авторы количественно оценили архитектурные пропорции и параметры элементов построек.

Оказалось, что термитники имеют определенные повторяющиеся архитектурные "решения", обеспечивающие эффективный доступ, вентиляцию и охлаждение гнезд насекомых.

Трехмерные компьютерные реконструкции демонстрируют красивые винтовые лестницы и утонченную гармонию архитектуры гнезд, в которых равномерно расположенные этажи, ограничивающие камеры, соединены линейными и спиральными пандусами.

Авторы выяснили, что в основе построек лежит четкая биотектоническая схема, которую можно описать математическими уравнениями пространственно-временной эволюции, связывающими физические свойства окружающей среды с коллективным поведением насекомых-строителей, использующих четкие строительные правила.

Кроме того, важную роль в самоорганизации процесса строительства, по мнению исследователей, играют выделяемые термитами феромоны, которые служат индикаторами предыдущей активности и дают сигналы для последующих действий.

На основе полевых наблюдений авторы разработали математическую модель строительства термитника, главными параметрами которой выступают: изменение количества рабочих термитов, плотность строительного материала и концентрация феромонов.

Результаты моделирования показали, что в процессе строительства жилища термиты спонтанно воспроизводят постоянный вертикальный шаг этажей и горизонтальный шаг пандусов.

Авторы считают, что самоорганизованная архитектура возникает как результат обратной связи между индивидуальным поведением термитов и изменяющейся структурой гнезда в период строительства. Подобные многомасштабные процессы, связывающие физику и социальное поведение, по мнению ученых, можно использовать в таких областях, как групповая робототехника — новом подходе к координации действий систем роботов, имитирующих коллективное поведение.