domingo 4 de diciembre de 2022
https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20221201a/full/?ptfb&fbclid=IwAR1H8R1oa2ST2V7GhgbUvhroevHz8rbFK9OF2L1opa46BTeDt8rSW0Vli7Y
Amelia Cristina Tor Pisano
¿Cómo manejan las abejas la frustración geométrica?
Para averiguarlo, los investigadores recopilaron datos de imágenes de 10 colmenas, cuyos panales las abejas construyeron en marcos hexagonales que incorporaron defectos a propósito.
Ver figuras en https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20221201a/full/?ptfb&fbclid=IwAR1H8R1oa2ST2V7GhgbUvhroevHz8rbFK9OF2L1opa46BTeDt8rSW0Vli7Y
R.Mark Wilson
Demostración de colmena.
Figura: Las abejas se ponen a trabajar produciendo panales bajo restricciones geométricas. Crédito: Golnar Gharooni Fard
Construido por miles de abejas, el panal de cera es esencial para la supervivencia de una colonia. Y debido a que el panal es tan caro, las abejas deben consumir casi cuatro kilogramos de miel para secretar menos de medio kilogramo de cera, deben minimizar su proporción de cera por espacio de almacenamiento. La teselación hexagonal de un panal minimiza naturalmente la longitud del límite por unidad de área de espacio de almacenamiento. Pero a medida que las abejas construyen sus nidos en cavidades de árboles preexistentes, deben lidiar con restricciones geométricas que las obligan a combinar celdas de diferentes formas y tamaños, produciendo hexágonos irregulares y defectos topológicos en el panal. Hasta la fecha, los mecanismos que controlan la construcción de panales restringidos geométricamente siguen sin estar claros.
Bajo la dirección de la biofísica Orit Peleg y el ingeniero aeroespacial Francisco López Jiménez, Golnar Gharooni Fard, estudiante de doctorado de la Universidad de Colorado Boulder, ha estudiado ahora cómo las abejas se adaptan a ese entorno salvaje. Para imitar las restricciones geométricas, Gharooni Fard creó marcos experimentales utilizando impresión tridimensional que controlaba con precisión las fuentes de frustración geométrica: el ángulo de inclinación (A) y los cambios (L y h) en los ejes horizontal y vertical, impuestos en la red hexagonal. , como se muestra en la primera figura a continuación. Ella introdujo las restricciones solo a segmentos discretos del marco, cada uno separado por espacios. Esa geometría del marco impidió que las abejas simplemente extendieran los cimientos hexagonales para llenar los huecos.
Diagramas de las cuadrículas hexagonales que muestran las frustraciones de la red.
Crédito: Adaptado de G. Gharooni Fard et al., Proc. nacional Academia ciencia EE. UU. 119, e2205043119 (2022)
Después de una serie de experimentos en 10 colmenas, los investigadores cuantificaron las estrategias de las abejas para superar los desajustes en los planos de la red. Después de tomar fotografías de los marcos completamente construidos, Gharooni Fard y sus colegas utilizaron técnicas de visión por computadora para identificar celdas de peine individuales. Armados con esas imágenes, reconstruyeron la estructura del panal, que revela la falta de regularidad de las formas de las celdas construidas dentro del espacio, como se muestra en la figura a continuación. Inspirándose en las similitudes entre los límites de los granos en los panales reconstruidos y los del grafeno, los investigadores desarrollaron un algoritmo basado en la cristalografía para colocar los centros de las células en lugares de la red que minimizan una variante del potencial de Lennard-Jones.
Una imagen de la colmena con un diagrama que muestra las celdas modificadas en rojo, blanco y azul.
Crédito: Adaptado de G. Gharooni Fard et al., Proc. nacional Academia ciencia EE. UU. 119, e2205043119 (2022)
Los investigadores encontraron un acuerdo cuantitativo entre los resultados de sus experimentos y el modelo. Por ejemplo, los defectos topológicos (celdas con más o menos de seis vecinas) aparecen como consecuencia de varias frustraciones geométricas, y los investigadores trazaron una correlación positiva entre el ángulo de inclinación de dos redes hexagonales y la densidad de los defectos. Como era de esperar, cuando no había inclinación entre las celosías, los defectos eran raros y las abejas construían constantemente hexágonos regulares para fusionarlos. El acuerdo entre los experimentos y las simulaciones también reveló la eficacia del uso de las herramientas de la cristalografía para comprender las estructuras globales de panal como resultado de la interacción local entre las células y su entorno. (G. Gharooni Fard et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 119, e2205043119, 2022.)
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