Per scoprirlo, gli scienziati hanno raccolto dati di imaging da 10 alveari che presentavano difetti deliberati nei loro favi, che le api avevano costruito su telai esagonali.
Il favo di cera d'api costruito da innumerevoli api è molto importante per l'esistenza di una colonia. Inoltre, poiché la cera d'api è così costosa, devono ridurre il rapporto tra cera d'api e stoccaggio nel favo: le api devono consumare circa quattro chili di miele per espellere meno di mezzo chilo di cera d'api. La tassellatura naturale degli esagoni di un nido d'ape riduce la lunghezza del bordo per unità di capacità di stoccaggio. Tuttavia, quando le api costruiscono i loro nidi nelle cavità degli alberi già esistenti, devono mescolare celle di varie dimensioni e forme a causa di limitazioni geometriche, con conseguenti esagoni irregolari e difetti topologici nel nido d'ape.
I meccanismi che regolano la formazione dei favi con vincoli geometrici sono ancora sconosciuti.
Golnar Gharooni Fard, uno studente di dottorato presso l'Università del Colorado Boulder, ha studiato come le api si adattano a questo ambiente naturale, sotto la supervisione del biofisico Orit Peleg e dell'ingegnere aerospaziale Francisco López Jiménez.
Gharooni Fard ha utilizzato la stampa tridimensionale per creare quadri sperimentali che controllano con precisione le fonti geometriche di frustrazione applicate sul reticolo esagonale (angolo di inclinazione (A) e offset (L e h) negli assi orizzontale e verticale), come mostrato nel primo figura sottostante. Questo è stato fatto per imitare i vincoli geometrici. Ha aggiunto vincoli solo agli elementi distanziati chiaramente definiti della struttura.
Questa geometria del telaio impediva alle api di espandere semplicemente le fondamenta esagonali per riempire i vuoti.
Dopo una serie di esperimenti su 10 alveari, i ricercatori hanno misurato le strategie delle api per superare i disallineamenti nei loro piani di gabbia. Gharooni Fard e colleghi hanno utilizzato tecniche di visione artificiale per identificare le singole celle a nido d'ape, dopo aver scattato foto dei telai completamente costruiti. Con queste immagini, hanno ricostruito la struttura a pettine, rivelando l'irregolarità delle forme cellulari costruite all'interno della cavità, come mostrato nella figura sottostante. Ispirati dalle somiglianze tra i bordi dei grani nei favi ricostruiti e quelli nel grafene, i ricercatori hanno sviluppato un algoritmo basato sulla cristallografia per posizionare i centri cellulari nel reticolo in posizioni che riducono al minimo alcune variazioni del potenziale di Lennard-Jones.
I ricercatori hanno creato un approccio basato sulla cristallografia per localizzare i centri cellulari nei punti all'interno del reticolo che minimizzano un dato potenziale di Lennard-Jones. Questo algoritmo è stato sviluppato sulla base delle somiglianze tra i bordi di grano nei pettini ricostruiti e i bordi di grano nel grafene.
I risultati degli esperimenti dei ricercatori e le previsioni del modello hanno mostrato un accordo quantitativo. Ad esempio, i difetti topologici (celle con più o meno di sei vicini) sono dovuti a un insieme di vincoli geometrici e i ricercatori hanno trovato una correlazione significativa tra la densità dei difetti e l'angolo di inclinazione dei due reticoli esagonali. Non sorprende che gli errori fossero rari quando non c'era pendenza tra le gabbie e le api costruivano regolarmente esagoni regolari per collegarli.
La coerenza tra esperimenti e simulazioni ha anche dimostrato il valore dell'utilizzo di strumenti cristallografici per comprendere le strutture sferiche a nido d'ape risultanti dall'interazione locale tra le cellule e il loro ambiente.
Fonte: physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20221201a/
Günceleme: 02/12/2022 21:57
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