Eldmyror bildar flottar för att överleva översvämningar, men hur fungerar dessa bindningar? Och vad kan vi lära av dem? En professor vid Binghamton University, State University of New York forskar på dessa frågor för att utöka vår kunskap om materialvetenskap.
När översvämningar träffar en region där eldmyror lever, är deras överlevnadssvar att haka ihop sig för att bilda en flytande "flotte" som flyter och håller kolonin enad. Tänk på det som ett förtätat, adaptivt material där byggstenarna – individuella myror – faktiskt är levande.
Binghamton University Assistant Professor Rob Wagner ledde en studie som en del av Vernerey Soft Matter Mechanics Lab vid University of Colorado Boulder där forskare undersökte det adaptiva svaret hos dessa levande flottar. Målen är att förstå hur de autonomt förvandlas och förändrar sina mekaniska egenskaper, och sedan införliva de enklaste och mest användbara upptäckterna i konstgjorda material.
"Levande system har alltid fascinerat mig, eftersom de uppnår saker som våra nuvarande konstruerade material inte kan - inte ens nära," sa han. "Vi tillverkar bulkpolymersystem, metaller och keramik, men de är passiva. Beståndsdelarna lagrar inte energi och omvandlar den sedan till mekaniskt arbete som varje enskilt levande system gör."
Wagner ser denna lagring och omvandling av energi som avgörande för att efterlikna de smarta och adaptiva beteendena hos levande system.
I deras senaste publikation i Proceedings of the National Academy of Sciences , Wagner och hans medförfattare vid University of Colorado undersökte hur eldmyrflottar svarade på mekanisk belastning när de sträcktes, och de jämförde responsen från dessa flottar med dynamiska, självläkande polymerer.
"Många polymerer hålls samman av dynamiska bindningar som bryter, men kan reformeras," sa Wagner. "När de dras tillräckligt långsamt har dessa bindningar tid att strukturera om materialet så att det - istället för att spricka - flyter som slemmet som våra barn leker med, eller mjukglass. När de dras väldigt snabbt går det dock sönder mer som krita Eftersom flottarna hålls samman av myror som klamrar sig fast vid varandra, kan deras band bryta och förändras. Så mina kollegor och jag trodde att de skulle göra samma sak
Men Wagner och hans medarbetare upptäckte att oavsett vilken hastighet de drog myrflotterna, var deras mekaniska reaktion nästan densamma, och de flödade aldrig. Wagner spekulerar i att myrorna reflexmässigt drar åt och förlänger sina grepp när de känner kraft för att de vill stanna tillsammans. De stänger antingen av eller stänger av sitt dynamiska beteende.
Detta fenomen med bindningar som växer sig starkare när kraft appliceras på dem kallas catch bond-beteende, och det förbättrar sannolikt sammanhållningen för kolonin, vilket är vettigt för överlevnad.
"När du drar på typiska bindningar med en viss mängd kraft, kommer de att släppa taget snabbare, och deras livstid går ner - du försvagar bandet genom att dra på det. Det är vad du ser i nästan alla passiva system, " sa Wagner.
"Men i levande system, på grund av deras komplexitet, kan du ibland ha fångstbindningar som håller på under längre varaktigheter under ett visst intervall av applicerad kraft. Vissa proteiner gör detta mekaniskt och automatiskt, men det är inte som att proteinerna fattar ett beslut. De är bara ordnade på ett sådant sätt att när en kraft appliceras avslöjar den dessa bindningsställen som låser sig eller "fångar."
Wagner tror att efterliknande av dessa fångstbindningar i konstruerade system kan leda till konstgjorda material som uppvisar autonom, lokaliserad självförstärkning i områden med högre mekanisk stress. Detta kan förlänga livslängden för biomedicinska implantat, lim, fiberkompositer, mjuka robotkomponenter och många andra system.
Kollektiva insektsansamlingar som eldmyrflottar inspirerar redan forskare att utveckla material med stimuli-känsliga mekaniska egenskaper och beteenden. Ett papper i Naturmaterial tidigare i år – ledd av Ware Responsive Biomaterials Lab vid Texas A&M och inklusive bidrag från Wagner och hans tidigare avhandlingsrådgivare, professor Franck J. Vernerey – demonstrerar hur band gjorda av speciella geler eller material som kallas flytande kristallelastomerer kan lindas på grund av uppvärmning, och sedan trassla in sig med varandra för att bilda kondenserade, solidliknande strukturer som inspirerades av dessa myror
"En naturlig utveckling av detta arbete är att svara på hur vi kan få interaktionerna mellan dessa band eller andra mjuka byggstenar att "fånga" under belastning som eldmyrorna och vissa biomolekylära interaktioner gör," sa Wagner.
Mer information: Robert J. Wagner et al, Catch bond kinetik är avgörande för sammanhållningen av eldmyrflottar under belastning, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2314772121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences , Naturmaterial
Tillhandahålls av Binghamton University
