Como as Formigas se Organizam para Trabalhar?

Dê uma colônia de formigas de jardim por semana e um monte de terra, e elas o transformarão em um edifício subterrâneo da altura de um arranha-céu em uma cidade em escala de formigas.

Sem um plano ou líder, milhares de insetos que movem manchas de sujeira criam uma estrutura complexa e esponjosa, com níveis paralelos conectados por uma rede de túneis.

Algumas espécies de formigas até constroem estruturas vivas a partir de seus corpos: formigas do exército e formigas de fogo na América Central e do Sul se reúnem em pontes que facilitam seu caminho em expedições de forrageamento, e certos tipos de formigas de fogo se agrupam em balsas improvisadas para escapar das inundações.

Como os Insetos com Cérebros Minúsculos Projetam Estruturas tão Impressionantes?

Os cientistas estudam o comportamento social de formigas e outros insetos há décadas, procurando pistas químicas e outros sinais que os insetos usam para coordenar o comportamento. Grande parte deste trabalho se concentrou em entender como as formigas decidem onde procurar ou construir suas casas.

Mas, novas pesquisas que combinam observações do comportamento das formigas com técnicas modernas de imagem e modelagem computacional estão começando a revelar os segredos da construção das formigas.

Acontece que as formigas realizam essas tarefas complexas, obedecendo a algumas regras simples.

“As pessoas estão finalmente começando a resolver o problema de produzir essas estruturas, que são feitas de terra ou das próprias formigas”, disse Stephen Pratt, biólogo da Universidade Estadual do Arizona.

A organização das sociedades de insetos é um exemplo famoso de um sistema descentralizado complexo que surge das interações de muitos indivíduos, disse ele.

A solução desses problemas pode levar a melhorias na robótica de enxame, um grande número de robôs simples trabalhando juntos, além de materiais de autocura e outros sistemas capazes de se organizar e se consertar.

Explicando de uma Forma mais Ampla

De maneira mais ampla, identificar as regras que as formigas poderiam ajudar os cientistas a entender como os sistemas biologicamente complexos emergem — por exemplo, como grupos de células dão origem a órgãos.

“Mecanismos de auto-organização estão presentes em toda parte da natureza, desde o desenvolvimento de um embrião até a organização de grandes populações de animais”, disse Simon Garnier, biólogo do Instituto de Tecnologia de Nova Jersey.

Guy Theraulaz, um biólogo comportamental do Centro de Pesquisa em Cognição Animal em Toulouse, França, e colaboradores estudam ninhos de insetos nos últimos 20 anos, construindo modelos mais complexos e realistas à medida que seus dados melhoram.

Eles descobriram que três diretrizes básicas que regem quando e onde as formigas pegam e deixam seus materiais de construção são suficientes para criar estruturas sofisticadas e multicamadas.

“Tudo resulta de interações locais entre os indivíduos”, disse Garnier, ex-aluno de Theraulaz, que agora estuda pontes de formigas vivas. “A estrutura final surge sem coordenação central”.

Como a Estrutura Desses Insetos Ajuda a Vida Humana?

A equipe de Theraulaz analisou minuciosamente vídeos de formigas rastejando sobre placas de Petri enquanto tentavam construir um abrigo, observando cada vez que uma formiga apanhava ou deixava cair um grão de areia.

Os pesquisadores descobriram três regras principais: as formigas apanhavam grãos a uma taxa constante, aproximadamente 2 grãos por minuto; eles preferiram largá-los perto de outros grãos, formando um pilar; e eles tendiam a escolher grãos previamente manipulados por outras formigas, provavelmente por causa da marcação por um feromônio químico.

Os pesquisadores usaram essas três regras para construir um modelo de computador que imitava o comportamento de construção de ninhos.

No modelo, as formigas virtuais se moviam aleatoriamente em torno de um espaço tridimensional, pegando pedaços de areia virtual embebidos em um feromônio virtual.

As formigas-modelo criaram pilares parecidos com os feitos por suas contrapartes biológicas. Os pesquisadores podem alterar o layout dos pilares, alterando a rapidez com que o feromônio evapora, o que poderia explicar por que diferentes condições ambientais, como calor e umidade, influenciam a estrutura dos ninhos de formigas.

“A verdadeira novidade aqui é a nossa capacidade recém-adquirida de observar em detalhes a formação e as transformações dessas estruturas”, afirmou Theraulaz. “Finalmente, temos acesso a dados precisos sobre como os seres vivos se juntam para formar estruturas complexas, porém totalmente funcionais e reativas”.

Após uma simulação de uma semana, as formigas virtuais criaram algo que parecia um ninho real; camadas empilhadas junto com conexões entre elas.

As conexões em si não foram explicitamente incluídas nas regras, disse Theraulaz.

“Por muito tempo, as pessoas nunca acreditariam que isso fosse possível”, disse Chris Adami, físico e biólogo computacional da Michigan State University, que não participou do estudo.

“Ao analisar o comportamento animal complexo, as pessoas assumiram que deveriam ser animais inteligentes”.

Arquitetura Viva

Para David Hu e colaboradores do Instituto de Tecnologia da Geórgia, pesquisar a arquitetura das formigas é um meio de subsistência e uma dor de cabeça no local de trabalho.

A equipe de Hu estuda a arquitetura viva em que “as formigas são os tijolos e as camadas de tijolos”, disse Hu. Mas as formigas de fogo no laboratório de Hu também são artistas de fuga habilidosos.

Eles constroem torres para escapar de seus recintos e rastejar sob portas trancadas. Hu tem pavor de fins de semana de três dias, que dão às formigas mais tempo para se libertar e construir bivouacs — ninhos feitos de centenas de milhares de formigas — sob as mesas de seus colegas.

Quando todo mundo volta ao trabalho, ele recebe ligações em pânico de escritórios infestados.

“Temos formigas fugindo do nosso laboratório o tempo todo”, disse Hu. “Os bivaques são sofisticados, com túneis e janelas que podem abrir e fechar em resposta à umidade e temperatura”.

Em sua pesquisa, Hu está focado em entender primeiro uma estrutura mais simples — balsas de formigas.

Os insetos podem escapar das inundações em seu habitat, montando jangadas compostas por até 100.000 membros.

As estruturas surpreendentemente dinâmicas, que podem ser tão grandes quanto um prato de jantar, podem flutuar por semanas, permitindo que a colônia sobreviva e encontre um novo lar.

Hu e colaboradores haviam mostrado anteriormente que, depois que uma colher de formigas é jogada na água, a bolha de insetos se transforma em uma jangada de pancakel através de um processo simples: cada formiga caminha aleatoriamente na superfície da bolha até atingir a borda da água.

“Uma formiga individual não pode saber o tamanho da balsa, onde ela está e o que outras formigas estão fazendo”, disse Hu. “A única comunicação continua na borda da estrutura — é onde a estrutura cresce”.

A equipe de Hu usou essas regras simples para criar uma jangada de formiga virtual com a mesma dinâmica de uma formiga real.