Honigbienen fallen nicht aus der Klasse in Geometrie, während sie eine Wabe machen

Während Honigbienen die Waben formen, fällt die Geometrie nicht aus dem Klassenzimmer
Honigbienen fallen nicht aus der Geometrie, während sie die Wabe bilden - Honigbienen beginnen damit, Waben unter geometrischen Bedingungen herzustellen. Bildnachweis: Golnar Gharooni Fard

Um dies herauszufinden, sammelten die Wissenschaftler Bilddaten von 10 Bienenstöcken, die absichtlich Fehler in ihren Waben aufwiesen, die die Bienen auf sechseckigen Rahmen gebaut hatten.
Die von unzähligen Bienen gebauten Waben aus Bienenwachs sind sehr wichtig für die Existenz eines Volkes. Weil Bienenwachs so teuer ist, müssen sie außerdem das Verhältnis von Bienenwachs zur Lagerung in der Wabe reduzieren – Bienen müssen etwa vier Kilo Honig verbrauchen, um weniger als ein halbes Kilo Bienenwachs auszuscheiden. Die natürliche Tesselation der Sechsecke einer Wabe reduziert die Länge der Umrandung pro Einheit Speicherkapazität. Wenn Bienen jedoch ihre Nester in bereits bestehenden Baumhöhlen bauen, müssen sie aufgrund geometrischer Einschränkungen Zellen unterschiedlicher Größe und Form mischen, was zu unregelmäßigen Sechsecken und topologischen Defekten in der Wabe führt.

Die Mechanismen, die die Bildung von Waben mit geometrischen Einschränkungen steuern, sind noch unbekannt.

Golnar Gharooni Fard, Doktorand an der University of Colorado Boulder, untersuchte unter der Leitung des Biophysikers Orit Peleg und des Luft- und Raumfahrtingenieurs Francisco López Jiménez, wie sich Bienen an diese natürliche Umgebung anpassen.

Gharooni Fard verwendete dreidimensionales Drucken, um experimentelle Rahmen zu schaffen, die die geometrischen Frustrationsquellen präzise steuern, die auf das hexagonale Gitter angewendet werden (Neigungswinkel (A) und Versätze (L und h) in der horizontalen und vertikalen Achse), wie im ersten gezeigt Abbildung unten. Dies wurde getan, um geometrische Beschränkungen nachzuahmen. Es hat Beschränkungen nur zu klar definierten beabstandeten Elementen des Rahmenwerks hinzugefügt.

Käfig-Frust
Käfig-Frust

Diese Rahmengeometrie hinderte die Bienen daran, die sechseckigen Fundamente einfach zu erweitern, um die Hohlräume zu füllen.

Nach einer Reihe von Experimenten an 10 Bienenstöcken maßen die Forscher die Strategien der Bienen zur Überwindung von Fehlanpassungen in ihren Käfigebenen. Gharooni Fard und seine Kollegen verwendeten Computer-Vision-Techniken, um einzelne Wabenzellen zu identifizieren, nachdem sie Bilder der vollständig konstruierten Rahmen gemacht hatten. Mit diesen Bildern rekonstruierten sie die Kammstruktur und enthüllten die Unregelmäßigkeit der Zellformen, die innerhalb des Hohlraums gebaut wurden, wie in der Abbildung unten gezeigt. Inspiriert von den Ähnlichkeiten zwischen Korngrenzen in rekonstruierten Kämmen und denen in Graphen entwickelten die Forscher einen kristallographiebasierten Algorithmus, um Zellzentren im Gitter an Stellen zu platzieren, die eine gewisse Variation des Lennard-Jones-Potentials minimieren.

Die Forscher entwickelten einen auf Kristallographie basierenden Ansatz, um Zellzentren an Punkten innerhalb des Gitters zu lokalisieren, die ein bestimmtes Lennard-Jones-Potential minimierten. Dieser Algorithmus wurde basierend auf den Ähnlichkeiten zwischen Korngrenzen in rekonstruierten Kämmen und Korngrenzen in Graphen entwickelt.

Die Ergebnisse der Experimente der Forscher und die Vorhersagen des Modells zeigten eine quantitative Übereinstimmung. Beispielsweise sind topologische Defekte (Zellen mit mehr oder weniger als sechs Nachbarn) auf eine Reihe geometrischer Einschränkungen zurückzuführen, und die Forscher fanden eine signifikante Korrelation zwischen der Defektdichte und dem Neigungswinkel der beiden hexagonalen Gitter. Es überrascht nicht, dass Fehler selten waren, wenn es keine Neigung zwischen den Käfigen gab und die Bienen regelmäßig regelmäßige Sechsecke bauten, um sie zu verbinden.

Die Konsistenz zwischen Experimenten und Simulationen hat auch den Wert der Verwendung von kristallographischen Werkzeugen gezeigt, um kugelförmige Wabenstrukturen zu verstehen, die aus der lokalen Wechselwirkung zwischen Zellen und ihrer Umgebung resultieren.

Quelle: physicaltoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20221201a/

Günceleme: 02/12/2022 21:57

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