Una mirada al secreto más íntimo del hormiguero

Saber lo que ocurre en el interior de un hormiguero es una vieja aspiración humana. Debajo de nuestros pies, estos diminutos insectos excavan una red de túneles de decenas de metros, cuya complejidad no tiene nada que envidiar a nuestras obras de ingeniería. Durante siglos, los sistemas para mirar en su interior han sido bastante toscos: se colocaban en terrarios con una cara transparente o, en la modalidad más agresiva, se vertía metal fundido en la boca del hormiguero y se dejaba enfriar para sacar un molde de su red de túneles y sus estructuras internas. 

Pero el ingeniero José Andrade y su equipo del Instituto Tecnológico de California (Caltech) tenían a mano herramientas que, según sus propias palabras, les permitían “ver como Superman” y asomarse por primera vez a este mundo secreto para responder una pregunta: ¿cuál es la estrategia que siguen las hormigas a la hora de construir sus redes de túneles sin que el terreno se hunda a su paso? 

En un trabajo publicado esta semana en la revista PNAS, Andrade y sus colaboradores describen una serie de experimentos realizados a partir de una primera hipótesis. Los autores intuían que las hormigas estaban “jugando” con las fuerzas del terreno a medida que avanzaban, pero ¿cómo probarlo? “Nuestro punto de partida era entender si las hormigas tenían alguna forma de detectar las fuerzas y, por así decirlo, jugar a la ‘Jenga’- este jueguito en el que tú sacas un bloque y si sacas el que no es, se te cae la torre”, explica Andrade a Vozpópuli.

Como ingeniero civil, Andrade llevaba años trabajando en modelos matemáticos para entender cómo las partículas granulosas generan fuerzas en las estructuras y tenía una amplia experiencia en el uso de técnicas de rayos X. Debido a la implicación del Caltech con los programas de investigación de la NASA, Andrade también estaba interesado en copiar estrategias de construcción de la naturaleza, con vistas a la exploración espacial.

“Recuerdo que me encontré con una foto de un nido de hormigas que habían exhumado mediante metal derretido y que era del tamaño de una persona”, explica Andrade. “Me sorprendió que las hormigas habían construido una ciudad, un Los Ángeles subterráneo; ahí fue cuando se me ocurrió que podía ser muy interesante entender la mecánica de cómo sucede todo eso dentro de los túneles”.  Y, dado que disponían del sistema que les permitía ver a través del terreno, empezaron a pensar en “la manera de utilizarlo para hacer ciencia”.

Supermán mira el hormiguero

La primera fase de los experimentos realizados por Andrade y su equipo consistió en colocar grupos de 15 hormigas cosechadoras occidentales (Pogonomyrmex occidentalis) una serie de contenedores con tierra. En cada uno de los receptáculos, “del tamaño de una pinta de cerveza”, los investigadores acoplaron cámaras de rayos X que tomaban imágenes cada 10 minutos durante varios días para registrar la construcción de los túneles en tiempo real. “Con los rayos X pudimos ver exactamente la progresión de los túneles y los movimientos de cada grano”, explica el investigador principal, “pero eso solo te permite ver el movimiento del material, pero no te dice nada de las cargas y las fuerzas”.

Para comprender mejor lo que estaba sucediendo, debían construir un modelo informático que explicara qué fuerzas estaban actuando a medida que el túnel avanzaba. “Ahí es donde usamos lo que yo le llamo “la magia”, explica Andrade, divertido. “Construimos un modelo computacional que era una reproducción exactamente igual al real, grano a grano, y obedece a las mismas leyes de la física, pero tiene la ventaja de que sí puede decirte cuáles son los esfuerzos”. Y así fue cómo, después de dos años de experimentos, comprendieron lo que estaba haciendo las hormigas. 

A medida que hacen el túnel, las fuerzas se redistribuyen y les permiten excavar con mayor facilidad

“Lo que vimos fue que a medida que las hormigas empiezan a hacer el túnel, esos esfuerzos empiezan a redistribuirse y lo hacen de una forma muy particular, le dan estabilidad y le permiten excavar con mayor facilidad”, explica a Andrade. Cuando se ven las visualizaciones realizadas a partir del modelo, el truco que permite a las hormigas avanzar sin que se derrumbe el terreno se entiende mejor.

En la situación inicial, las fuerzas están distribuidas de manera aleatoria, pero conforme cada hormiga avanza retirando los granos que le cuesta menos esfuerzo quitar, a menudo los más pequeños, las fuerzas alrededor del terreno se redistribuyen y generan una especie de “arco” que refuerza la propia estructura y permite que no se caiga.

“A medida que las hormigas avanzan”, explica Andrade, “las fuerzas experimentan una redistribución, empiezan a tener una especie de arco alrededor de ese túnel, y este efecto de arco hace que sean mucho más estables”.  Básicamente, la evolución ha favorecido la solución más sencilla, que consiste en retirar poco a poco los elementos menos rígidos, excavar de forma lineal respetando el ángulo de reposo del material y comenzar a excavar pegadas a alguna superficie, como la pared del recipiente, para favorecer la estabilidad. “Este mismo truco les sirve para limpiar para ampliar sus túneles y tener mejor tráfico”, asegura el ingeniero de Caltech.

Hormigas que juegan a la "Jenga"

En resumen, asegura Andrade, al final las hormigas sí están “jugando” a la ‘Jenga’, pero sin saberlo. “Lo que probablemente ocurre es que la evolución ha favorecido lo que mi colega Joe Parker llama un “algoritmo de comportamiento” en la colonia de hormigas, que ha permitido a la colonia excavar de forma alineada con las leyes de la física”. “Y esa es la magia del mundo natural, que no lo hacen por diseño”, concluye. “Las hormigas que no usaron la estrategia óptima para excavar no sobrevivieron”. 

De momento, Andrade y sus colaboradores no saben hasta qué punto la estrategia de las hormigas será utilizada por otros seres vivos, aunque sospechan que otros animales de mayor tamaño, como los topos, usarán aproximaciones diferentes, pues no retiran la arena grano a grano. La intención de su equipo es estudiar más a fondo este algoritmo de comportamiento para ver si son capaces de aplicarlo a sistemas automarizados de excavación. Y quién sabe si un día no permitirán fabricar robots que excaven en otros planetas siguiendo la estrategia de las hormigas.

Referencia: Unearthing real-time 3D ant tunneling mechanics (PNAS)