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Marvel Science: Comment le contrôle des fourmis fonctionnerait vraiment
"Ils peuvent faire beaucoup de choses, mais ils ont toujours besoin d'un chef de file." (Ant-Man, 2015)
La communication animale est une innovation essentielle qui permet à une espèce de trouver des ressources, de percevoir un danger et de y répondre en tant que groupe. Lorsque ces interactions augmentent dans la complexité, elles commencent à définir la manière dont la structure sociale et le comportement collectif de l'espèce. Lorsque nous considérons le comportement des fourmis, nous voyons la gestion de centaines de milliers de personnes travaillant en synchronicité pour mener à bien les tâches ménagères nécessaires pour maintenir une colonie. Qu'est-ce qui rend les millions de fourmis individuelles efficaces? Que savons-nous du comportement collectif animal qui peut nous aider à comprendre la télécommande des essaims des fourmis vus dans l'ant-man?
Feuillets de feu à bâtir des radeaux et des ponts pour Scott Lang dans Ant-Man (2015)
En 2015, Ant-Man And-Man et 2018 et la guêpe, les personnages Hank Pym, Hope Van Dyne et Scott Lang ont tous la possibilité de parler à des fourmis en utilisant un "dispositif de communication EMP" spécial. Cet appareil, une oreillette ou intégré au casque de l'ant-man ou de la guêpe permet à son utilisateur de commander des fourmis de faire divers actes étonnants. Par exemple, dans Ant-Man, le premier succès de Scott Lang avec le périphérique lui permet d'instruire quatre fourmis de soulever un sou et de le faire tourner. Les utilisateurs expérimentés sont en outre permis de demander aux fourmis d'effectuer des comportements naturels, tels que la formation coordonnée de ponts et de radeaux fabriqués par des fourmis de feu. Les utilisateurs sont également en mesure de contrôler les fourmis pour effectuer des comportements qu'ils ne feraient jamais, tels que le blocage des lumières et des caméras, agissant comme une cavalerie aérienne et jouant des tambours.
Comment les fourmis communiquent-elles exactement les unes avec les autres? Sommes-nous, comme les humains, capables de contrôler leurs comportements?
Une fourmi géante imite les schémas comportementaux de Scott Lang dans Ant-Man et la WASP (2018)
Le dispositif de communication EMP de Hank PYM lui offre un contrôle unique sur les fourmis et l'a inspiré à prendre sur l'ant-homme de Moniker. Il affirme que son invention fonctionne en émettant une impulsion électromagnétique capable de contrôler les fourmis "Centre nerveux olfactif". Afin de décomposer cette réclamation, nous devons rompre l'appareil de PYM dans ses parties fonctionnelles les plus plausibles. Pour commencer, quels appareils pourraient "lire" les pensées d'une personne et les transmettre comme une impulsion électromagnétique unique pouvant être perçue par un insecte? Comment une fourmi reçoit-elle de nature dans la nature et comment ces informations peuvent-elles être traitées pour mener à bien les nombreux exploits observés dans Ant-Man et Ant-Man et la WASP?
Hope Van Dyne montrant ses compétences en communication de fourmi en utilisant EMP (Ant-Man, 2015)
Pour lire les ondes cérébrales d'une personne, nous devons envisager ce qui fournit un signal lisible. Notre cerveau est composé de 100 milliards de neurones interconnectés organisés dans des structures vascularisées complexes. Les neurones sont connectés les uns aux autres par des synapses qui transmettent des signaux chimiques et des impulsions électriques entre les cellules. L'action coordonnée des neurones tirant et pompage sanguin de différentes régions du cerveau nous fournit une représentation abstraite de l'activité dans le cerveau. Cette fonction peut être lue avec une électroencéphalographie (EEG) ou une magnétoencéphalographie (MEG), des machines qui lisent l'activité électrique du cerveau à l'aide d'une gamme d'électrodes qui conduisent via votre cuir chevelu. Les informations provenant de ces électrodes sont lues comme des vagues et résument l'activité cérébrale pouvant être traitée en calcul comme des modèles d'activité sous-jacents comportements ou pensées. Bien que la plupart des EEG fonctionnent en connectant plusieurs électrodes sur plusieurs parties du cuir chevelu, nous pouvons spéculer sur les particules de pym - les particules subatomiques du film pouvant modifier la taille ou la forme d'objets - pourraient être utilisées pour réduire les machines complexes à haute résolution dans quelque chose qui Peut correspondre bien derrière votre oreille.
Les avances à Meg ont permis à ce scanner d'être portable de prendre une forme similaire au casque original d'Ant-Man (mais pas aussi pratique que quelque chose qui s'adapte à votre oreille). Tales étonnantes # 36 / (crédit d'image: nature)
Maintenant que nous pouvons "lire" les pensées d'un humain, comment pouvons-nous lier cela aux comportements d'une fourmi? Si vous regardez des fourmis dans la nature, vous remarquerez qu'ils passent un peu de temps à «vous détendre» mutuellement avec leurs antennes. Les fourmis communiquent à l'aide d'une combinaison de langage corporel, du son de gratter leurs jambes et des sentiers parfumés. Les informations sensorielles qu'ils reçoivent via leur antenne leur permettent de détecter des modifications de leur environnement tels que la température, l'humidité et les signaux chimiques. Étant donné que l'entraîneur des fourmis de Pym utilise EMP, nous examinerons la possibilité que les fourmis de PYM soient uniquement sensibles à l'électromagnétisme.
Camponotus Compressus Colony-Colony-Mates peut communiquer à travers l'antenne Sensing et TrophAlaxis (Vomit-Exchange) Photo: Wikimedia Commons
Diverses espèces de fourmis, ainsi que des abeilles, sont sensibles à la faible force électromagnétique de la Terre. Pachycondyla marginata, par exemple, s'orienter à l'axe géomagnétique nord-sud de la Terre de 13 degrés. Dans cette espèce, il est possible que la magnétorétorection est possible lorsque des cristaux à grains ultrafins de matériaux magnétiques à base de sol s'accumulent dans des parties de leurs antennes. Ces particules fonctionnent avec les neurones sensoriels situés dans les antennes pour signaler des changements de comportement dans les voies neuronales descendantes dans le lobe antenne. Il serait nécessaire de raisonner que Hank Pym est capable de compléter son environnement de fourmis et ses aliments avec les matériaux magnétiques à base de fer nécessaires pouvant augmenter leurs sensibilités magnétiques. Cela lui permettrait de créer des fourmis très sensibles à son appareil.
P. Marginata Head (à gauche) et des granules d'oxyde de fer (à droite) dans les antennes. Les images ont été prises sous un microscope électronique de transmission
Dans la vraie vie, ce serait un étirement de penser que nous pourrions prendre le contrôle de la direction sur le comportement d'un animal à l'aide de la technologie périphérique (en dehors de nos crânes) en lisant notre cerveau. Il existe des EEG, mais ils ne nous fournissent pas la réponse ultime à la manière dont le comportement fonctionne ou prend en compte la complexité astronomique d'un cerveau humain. Un EEG ne peut vraiment détecter que l'activité électrique sur les cortices superficielles du cerveau et ne peut pas lire les changements qui se produisent plus profondément dans le cerveau. Nous pouvons comprendre qu'une partie spécifique du cerveau montre une vague de cerveau spécifique lorsqu'elle rappelle une mémoire émotionnelle, mais un EEG ne vous dira pas quelle était la mémoire ou d'autres parties saillantes. De plus, un EEG n'interprète que les données électriques signalées par le cerveau et non les informations chimiques communiquées aux synapses entre les neurones. Enfin, le cerveau humain est incapable de traiter ou de résumer l'activité de milliers de fourmis, car elle n'a jamais eu à évoluer pour le faire. Les humains peuvent à peine envoyer un texte en conduisant; Contrôler la fonction moteur de quelques milliers de créatures à six pattes peut être un peu ambitieuse!
Considérant la possibilité de contrôler le comportement des fourmis, les humains sont capables d'influencer certains de leurs comportements naturels via une expérimentation. Nous pouvons changer le taux auquel les fourmis de travailleur peuvent fourrer, mais nous ne pouvons probablement pas obtenir des fourmis pour résoudre un puzzle croisé. Mais une fourmi individuelle n'est pas autonome, mais une partie d'un "super corganisme" décentralisé beaucoup plus grand. Pour développer notre compréhension de la communication animale, nous pouvons examiner différents signaux intrinsèques et extrinsèques pouvant moduler des comportements déjà existants, comme une capacité de fourmi à fourrer pour la nourriture, construire des ponts ou attaquer un envaheur.
L'utilisation de signaux extrinsèques pouvant réguler les comportements naturels peut être observé dans le laboratoire de Dre Deborah Gordon à l'Université Stanford. Son groupe et son travail ont montré comment la dynamique et les comportements de la colonie des fourmis peuvent initier des réponses à la recherche de nourriture. Dans une colonie de fourmis de moissonneuse-rouges, les défendeurs retournent une traînée chimique de phéromones et interagissent avec des nids pour les encourager à fourrer. Dans une étude, le groupe de Gordon a émulé ces effets en éliminant les hydrocarbures cuticulaires d'une fourmis de moissonneuse-pêcheuse et les recouvrant sur une perle de verre (comme une empreinte chimique pouvant être lue par des nids). Lorsque ces billes ont été placées à l'entrée de leur nid, les nids ont lancé une boucle de retour positive pour fourrer plus de nourriture.
Les signaux intrinsèques capables de modifier les comportements peuvent être effectués en modifiant l'expression des gènes qui sous-tendent des comportements spécifiques. Le laboratoire de Dr. Shelley Berger à l'Université de Pennsylvanie peut contrôler le comportement en modifiant comment les gènes sont emballés et exprimés dans le noyau d'une cellule. Dans le royaume des animaux, l'ADN est compacté en s'empilant autour de bobines à ressembler à des protéines appelées nucléosomes qui se plient et le supercoil, deviennent éventuellement des chromosomes. Les nucléosomes peuvent être modifiés de manière réversible pour démêler l'ADN, accordant l'accès à des machines moléculaires pouvant exprimer un gène. Le groupe de Berger a constaté que nombre des différences d'expression de gènes entre deux castes de fourmis charpentières étaient dues à des différences de marque chimique sur ces nucléosomes. En utilisant plusieurs outils moléculaires et pharmacologiques, son groupe a été capable de reprogrammer avec succès le comportement d'une fourmi soldat, un type de fourmi qui n'a jamais plu, pour initier des courses à la recherche de nourriture.
Aperçu de la modification des nucléosomes (inhibiteurs de HDAC / HAT) peut réguler le comportement de recherche de fourmis de charpentier.
Ces interactions comportementales ont échoué dans les communautés où le comportement collectif peut accomplir beaucoup plus que la somme de ses individus. Par exemple, dans une configuration expérimentale dans le laboratoire, les fourmis argentins sont capables de résoudre des problèmes de logique comme les tours de Hanoi. C'est un cri lointain, cependant, de pouvoir commander une fourmi à jouer de la batterie ou de diriger de manière fiable leur comportement. Un accent plus réaliste aurait fait un peu moins réaliste les entrées MCU d'Ant-Man et de Wasp un peu moins intéressantes ... au moins parler à des fourmis aurait plus de sens que de plier des règles fondamentales de la physique comme les particules de pym.
Si vous êtes toujours curieux de la science de l'univers cinématographique de Marvel, envisagez de pré-commander le livre du Dr Sebastian Alvarado, la science de Marvel publiée par Adams Media, une empreinte de Simon & Schuster. Apprenez comment Sebastian a rétréci les fourmis dans ses recherches, comment ingénierie un sérum Supersoldier et plus encore!
Sebastian est professeur adjoint à Queens College Cuny qui étudie comment les gènes interagissent avec l'environnement et constituent le cofondateur de Thwacke Consulting, un cabinet de conseil en sciences pour le secteur du divertissement. Il a aidé les créatifs à améliorer la science autour de leur fiction pour la dernière décennie. Suivez-le sur Twitter @sebCreatible.
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Marvel Science: Comment le contrôle des fourmis fonctionnerait vraiment
"Ils peuvent faire beaucoup de choses, mais ils ont toujours besoin d'un chef de file." (Ant-Man, 2015)
La communication animale est une innovation essentielle qui permet à une espèce de trouver des ressources, de percevoir un danger et de y répondre en tant que groupe. Lorsque ces interactions augmentent dans la complexité, elles commencent à définir la manière dont la structure sociale et le comportement collectif de l'espèce. Lorsque nous considérons le comportement des fourmis, nous voyons la gestion de centaines de milliers de personnes travaillant en synchronicité pour mener à bien les tâches ménagères nécessaires pour maintenir une colonie. Qu'est-ce qui rend les millions de fourmis individuelles efficaces? Que savons-nous du comportement collectif animal qui peut nous aider à comprendre la télécommande des essaims des fourmis vus dans l'ant-man?
Feuillets de feu à bâtir des radeaux et des ponts pour Scott Lang dans Ant-Man (2015)
En 2015, Ant-Man And-Man et 2018 et la guêpe, les personnages Hank Pym, Hope Van Dyne et Scott Lang ont tous la possibilité de parler à des fourmis en utilisant un "dispositif de communication EMP" spécial. Cet appareil, une oreillette ou intégré au casque de l'ant-man ou de la guêpe permet à son utilisateur de commander des fourmis de faire divers actes étonnants. Par exemple, dans Ant-Man, le premier succès de Scott Lang avec le périphérique lui permet d'instruire quatre fourmis de soulever un sou et de le faire tourner. Les utilisateurs expérimentés sont en outre permis de demander aux fourmis d'effectuer des comportements naturels, tels que la formation coordonnée de ponts et de radeaux fabriqués par des fourmis de feu. Les utilisateurs sont également en mesure de contrôler les fourmis pour effectuer des comportements qu'ils ne feraient jamais, tels que le blocage des lumières et des caméras, agissant comme une cavalerie aérienne et jouant des tambours.
Comment les fourmis communiquent-elles exactement les unes avec les autres? Sommes-nous, comme les humains, capables de contrôler leurs comportements?
Une fourmi géante imite les schémas comportementaux de Scott Lang dans Ant-Man et la WASP (2018)
Le dispositif de communication EMP de Hank PYM lui offre un contrôle unique sur les fourmis et l'a inspiré à prendre sur l'ant-homme de Moniker. Il affirme que son invention fonctionne en émettant une impulsion électromagnétique capable de contrôler les fourmis "Centre nerveux olfactif". Afin de décomposer cette réclamation, nous devons rompre l'appareil de PYM dans ses parties fonctionnelles les plus plausibles. Pour commencer, quels appareils pourraient "lire" les pensées d'une personne et les transmettre comme une impulsion électromagnétique unique pouvant être perçue par un insecte? Comment une fourmi reçoit-elle de nature dans la nature et comment ces informations peuvent-elles être traitées pour mener à bien les nombreux exploits observés dans Ant-Man et Ant-Man et la WASP?
Hope Van Dyne montrant ses compétences en communication de fourmi en utilisant EMP (Ant-Man, 2015)
Pour lire les ondes cérébrales d'une personne, nous devons envisager ce qui fournit un signal lisible. Notre cerveau est composé de 100 milliards de neurones interconnectés organisés dans des structures vascularisées complexes. Les neurones sont connectés les uns aux autres par des synapses qui transmettent des signaux chimiques et des impulsions électriques entre les cellules. L'action coordonnée des neurones tirant et pompage sanguin de différentes régions du cerveau nous fournit une représentation abstraite de l'activité dans le cerveau. Cette fonction peut être lue avec une électroencéphalographie (EEG) ou une magnétoencéphalographie (MEG), des machines qui lisent l'activité électrique du cerveau à l'aide d'une gamme d'électrodes qui conduisent via votre cuir chevelu. Les informations provenant de ces électrodes sont lues comme des vagues et résument l'activité cérébrale pouvant être traitée en calcul comme des modèles d'activité sous-jacents comportements ou pensées. Bien que la plupart des EEG fonctionnent en connectant plusieurs électrodes sur plusieurs parties du cuir chevelu, nous pouvons spéculer sur les particules de pym - les particules subatomiques du film pouvant modifier la taille ou la forme d'objets - pourraient être utilisées pour réduire les machines complexes à haute résolution dans quelque chose qui Peut correspondre bien derrière votre oreille.
Les avances à Meg ont permis à ce scanner d'être portable de prendre une forme similaire au casque original d'Ant-Man (mais pas aussi pratique que quelque chose qui s'adapte à votre oreille). Tales étonnantes # 36 / (crédit d'image: nature)
Maintenant que nous pouvons "lire" les pensées d'un humain, comment pouvons-nous lier cela aux comportements d'une fourmi? Si vous regardez des fourmis dans la nature, vous remarquerez qu'ils passent un peu de temps à «vous détendre» mutuellement avec leurs antennes. Les fourmis communiquent à l'aide d'une combinaison de langage corporel, du son de gratter leurs jambes et des sentiers parfumés. Les informations sensorielles qu'ils reçoivent via leur antenne leur permettent de détecter des modifications de leur environnement tels que la température, l'humidité et les signaux chimiques. Étant donné que l'entraîneur des fourmis de Pym utilise EMP, nous examinerons la possibilité que les fourmis de PYM soient uniquement sensibles à l'électromagnétisme.
Camponotus Compressus Colony-Colony-Mates peut communiquer à travers l'antenne Sensing et TrophAlaxis (Vomit-Exchange) Photo: Wikimedia Commons
Diverses espèces de fourmis, ainsi que des abeilles, sont sensibles à la faible force électromagnétique de la Terre. Pachycondyla marginata, par exemple, s'orienter à l'axe géomagnétique nord-sud de la Terre de 13 degrés. Dans cette espèce, il est possible que la magnétorétorection est possible lorsque des cristaux à grains ultrafins de matériaux magnétiques à base de sol s'accumulent dans des parties de leurs antennes. Ces particules fonctionnent avec les neurones sensoriels situés dans les antennes pour signaler des changements de comportement dans les voies neuronales descendantes dans le lobe antenne. Il serait nécessaire de raisonner que Hank Pym est capable de compléter son environnement de fourmis et ses aliments avec les matériaux magnétiques à base de fer nécessaires pouvant augmenter leurs sensibilités magnétiques. Cela lui permettrait de créer des fourmis très sensibles à son appareil.
P. Marginata Head (à gauche) et des granules d'oxyde de fer (à droite) dans les antennes. Les images ont été prises sous un microscope électronique de transmission
Dans la vraie vie, ce serait un étirement de penser que nous pourrions prendre le contrôle de la direction sur le comportement d'un animal à l'aide de la technologie périphérique (en dehors de nos crânes) en lisant notre cerveau. Il existe des EEG, mais ils ne nous fournissent pas la réponse ultime à la manière dont le comportement fonctionne ou prend en compte la complexité astronomique d'un cerveau humain. Un EEG ne peut vraiment détecter que l'activité électrique sur les cortices superficielles du cerveau et ne peut pas lire les changements qui se produisent plus profondément dans le cerveau. Nous pouvons comprendre qu'une partie spécifique du cerveau montre une vague de cerveau spécifique lorsqu'elle rappelle une mémoire émotionnelle, mais un EEG ne vous dira pas quelle était la mémoire ou d'autres parties saillantes. De plus, un EEG n'interprète que les données électriques signalées par le cerveau et non les informations chimiques communiquées aux synapses entre les neurones. Enfin, le cerveau humain est incapable de traiter ou de résumer l'activité de milliers de fourmis, car elle n'a jamais eu à évoluer pour le faire. Les humains peuvent à peine envoyer un texte en conduisant; Contrôler la fonction moteur de quelques milliers de créatures à six pattes peut être un peu ambitieuse!
Considérant la possibilité de contrôler le comportement des fourmis, les humains sont capables d'influencer certains de leurs comportements naturels via une expérimentation. Nous pouvons changer le taux auquel les fourmis de travailleur peuvent fourrer, mais nous ne pouvons probablement pas obtenir des fourmis pour résoudre un puzzle croisé. Mais une fourmi individuelle n'est pas autonome, mais une partie d'un "super corganisme" décentralisé beaucoup plus grand. Pour développer notre compréhension de la communication animale, nous pouvons examiner différents signaux intrinsèques et extrinsèques pouvant moduler des comportements déjà existants, comme une capacité de fourmi à fourrer pour la nourriture, construire des ponts ou attaquer un envaheur.
L'utilisation de signaux extrinsèques pouvant réguler les comportements naturels peut être observé dans le laboratoire de Dre Deborah Gordon à l'Université Stanford. Son groupe et son travail ont montré comment la dynamique et les comportements de la colonie des fourmis peuvent initier des réponses à la recherche de nourriture. Dans une colonie de fourmis de moissonneuse-rouges, les défendeurs retournent une traînée chimique de phéromones et interagissent avec des nids pour les encourager à fourrer. Dans une étude, le groupe de Gordon a émulé ces effets en éliminant les hydrocarbures cuticulaires d'une fourmis de moissonneuse-pêcheuse et les recouvrant sur une perle de verre (comme une empreinte chimique pouvant être lue par des nids). Lorsque ces billes ont été placées à l'entrée de leur nid, les nids ont lancé une boucle de retour positive pour fourrer plus de nourriture.
Les signaux intrinsèques capables de modifier les comportements peuvent être effectués en modifiant l'expression des gènes qui sous-tendent des comportements spécifiques. Le laboratoire de Dr. Shelley Berger à l'Université de Pennsylvanie peut contrôler le comportement en modifiant comment les gènes sont emballés et exprimés dans le noyau d'une cellule. Dans le royaume des animaux, l'ADN est compacté en s'empilant autour de bobines à ressembler à des protéines appelées nucléosomes qui se plient et le supercoil, deviennent éventuellement des chromosomes. Les nucléosomes peuvent être modifiés de manière réversible pour démêler l'ADN, accordant l'accès à des machines moléculaires pouvant exprimer un gène. Le groupe de Berger a constaté que nombre des différences d'expression de gènes entre deux castes de fourmis charpentières étaient dues à des différences de marque chimique sur ces nucléosomes. En utilisant plusieurs outils moléculaires et pharmacologiques, son groupe a été capable de reprogrammer avec succès le comportement d'une fourmi soldat, un type de fourmi qui n'a jamais plu, pour initier des courses à la recherche de nourriture.
Aperçu de la modification des nucléosomes (inhibiteurs de HDAC / HAT) peut réguler le comportement de recherche de fourmis de charpentier.
Ces interactions comportementales ont échoué dans les communautés où le comportement collectif peut accomplir beaucoup plus que la somme de ses individus. Par exemple, dans une configuration expérimentale dans le laboratoire, les fourmis argentins sont capables de résoudre des problèmes de logique comme les tours de Hanoi. C'est un cri lointain, cependant, de pouvoir commander une fourmi à jouer de la batterie ou de diriger de manière fiable leur comportement. Un accent plus réaliste aurait fait un peu moins réaliste les entrées MCU d'Ant-Man et de Wasp un peu moins intéressantes ... au moins parler à des fourmis aurait plus de sens que de plier des règles fondamentales de la physique comme les particules de pym.
Si vous êtes toujours curieux de la science de l'univers cinématographique de Marvel, envisagez de pré-commander le livre du Dr Sebastian Alvarado, la science de Marvel publiée par Adams Media, une empreinte de Simon & Schuster. Apprenez comment Sebastian a rétréci les fourmis dans ses recherches, comment ingénierie un sérum Supersoldier et plus encore!
Sebastian est professeur adjoint à Queens College Cuny qui étudie comment les gènes interagissent avec l'environnement et constituent le cofondateur de Thwacke Consulting, un cabinet de conseil en sciences pour le secteur du divertissement. Il a aidé les créatifs à améliorer la science autour de leur fiction pour la dernière décennie. Suivez-le sur Twitter @sebCreatible.
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