איך נמלה כל כך קטנה, סוחבת משקל כל כך גדול? וגם סיפור אישי

הקדמה

פעם אחת ולתמיד – בואו נבין למה נמלים הם כל כך חזקות.

פעמים רבות אנחנו רואים נמלים סוחבות משא גדול להפליא. לעיתים זו נמלה יחידה הסוחבת אוכל, אבן או אפילו נמלה אחרות ופעמים אחרות אלו קבוצת נמלים שסוחבות מזון בסחיבה משותפת. אז אין הן עושות את זה? איך הן כל כך חזקות?

מסתבר שהסיבה היא – כי הן קטנות!

סחיבת משאות כבדים ע"י נמלים

את התמונה שאתם רואים צילם ברנרדו על הקיר בבית שלו. נמלה מהמין אצנית ארוכת מחוש סוחבת קמפונית. כולנו התפלאנו מכושר הנשיאה של הנמלים בשלב כלשהו בילדותינו. פה האצנית סוחבת את הקמפונית שגדולה ממנה בערך פי 50! זה כמו שאדם יסחוב אוטו גדול.

איך היא עושה את זה?

ככל שבעל החיים קטן יותר, הוא חזק יותר (!)

כן, המבנה המיקרוסקופי של נמלה הוא מתוחכם, מלא בבליטות ושערות. המעברים בין חומר קשה לרך הם הדרגתיים מאוד ולכן אין לה נקודות תורפה גדולות. אבל הסיבה העיקרית ליכולת שלך לסחוב משקל כה גדול יחסית לגופה, הוא פשוט הגודל שלה. כלומר אם נגדיל את הנמלה לגודל של אדם, היא תאבד מהחוזק שלה ולהפך- אם נקטין את האדם לגודל נמלה גם הוא יוכל לסחוב משקל הרבה יותר גדול ביחס לגוף.

נמלים הן קטנות וקלות. נמלה היא כל כך קלה שהיא לא צריכה "לשאת את עצמה" או להגן על המבנה של עצמה מפני כוח הכבידה ולחצים נוספים. לכן את כל הכוח שיש לה בשרירים היא יכולה להקדיש לסחיבת משאות.

גם נמלה שתיפול מכמה קומות לא תינזק הרבה ביחס לאדם שיפול מגובה זהה. הסיבה היא שככל שבעל חיים קטן יותר, כך הוא חזק יותר (יחסית לגודל שלו) נובעת מ-

חוק יחס שטח – נפח

המסה של גוף, תלויה בגודל האופייני של הגוף (נסמן את הגודל האופייני ב-), בחזקת 3 (נפח הגוף) ואילו החוזק של השרירים שלה תלוי בגודל האופייני שלה בריבוע (שטח הפנים של הגוף).

מחוק זה נובע שאם נגדיל את הנמלה פי x היא תהיה חלשה בדיוק פי x ביחס לגודל שלה.

נסביר:

נניח שהנמלה הייתה בגודל 2 מ"מ ואז הגדלנו אותה פי 10 ל-20 מ"מ. אז הנפח שלה גדל כעת פי 1000, מ- ממ"ק ל- ממ"ק. מצד שני, שטח הפנים שלה גדל רק פי 100, מ- ממ"ר ל- ממ"ר. כלומר הנמלה הזו צריכה עכשיו לתמוך בפי 8000 משקל אבל יש לך רק פי 400 שטח כדי לתמוך בו ולכן כעת היא חלשה פי 20 ביחס לגודל של עצמה.

כלומר אם נגדיל נמלה פי 20 אז היא תהיה חלשה פי 20 ביחס לגודל של עצמה! ובכללי יותר, אם נגדיל נמלה פי-x היא תהיה חלשה פי x.

אם הגודל האופייני של פיל הוא 5 מטרים וגודל אופייני של נמלה הוא 0.5 ס"מ אז הוא גדול ממנה פי 1000 ולכן הוא חלש ממנה פי 1000 ביחס לגודל. כלומר אם נמלה יכולה להרים משא שמסתו פי 50 מהגודל שלה אז פיל יכול לסחוב רק 5% אחוז מהמשקל שלו (כ-10 טון) שזה 500 ק"ג. נשמע לכם סדר גודל הגיוני?

השוואה בין נמלה לאדם

נמלה בגודל אנושי לא תוכל לסחוב משא כבד מאוד ממנה ולהפך, אדם בגודל נמלה כן יוכל לסחוב משא כבד. גודל האדם גדול מנמלה בערך פי 500 ולכן משקלו גדול פי 500 בשלישית שזה פי 125 מיליון. אבל כוח השרירים שלנו גדול מהנמלה רק פי 500 בריבוע שזה 250,000. כלומר נמלה חזקה מאיתנו פי 500. כלומר אם הנמלה יכולה לשאת 50 פעמים את משקל גופה, בני אדם יוכלו לסחוב פי 500 פחות, לכן האדם יוכל לסחוב על פי החישוב הזה משקל של 10% מהגוף כלומר עבור אדם שמסתו 70 ק"ג הוא יוכל לסחוב 7 ק"ג. זה נשמע מעט מדי, בני אדם יכולים לסחוב גם עשרות ק"ג, אבל כמובן זה חישוב גס בקירוב מסדר ראשון.

אי אפשר לבנות רובוט גדול חזק כמו נמלה קטנה

עובדה זו הציבה גבול לחוזק של רובוט. נוכל לבנות רובוט חזק אבל הוא לא יהיה חזק כמו רובוט קטנטן. ככל שהרובוט יהיה גדול יותר הוא גם יהיה חלש יותר יחסית לגודל שלו. זה יוצר איזשהו פרדוקס או גבול עליון לחוזק של רובוט כי ככל שאני אבנה רובוט גדול יותר הוא יצטרך להשקיע יותר ויותר אנרגיה כדי לתמוך את עצמו.

אבל הטבע הוא חכם, והנמלים גאוניות, ויש מין של נמלים שפיצח גם את הבעיה הזו. הפתרון הוא… סחיבה משותפת!

סחיבה משותפת

נמלים מהמין אצנית ארוכת מחוש יכולות לעבוד בצוות ולסחוב יחד! זה אחד המינים היחידים בעולם שיכולים לבצע זאת. בתמונה השניה של ברנרדו רואים איך מצטרפת אל הנמלה הראשונה נמלה נוספת.

לכולנו מחוץ לבית יש נמלים מהמין "אצנית ארוכת מחוש". אלו הנמלים שמתרוצצות מהר, ובאנגלית קוראים להן "crazy ant – הנמלה המשוגעת". ראיתי פעם רבות את הנמלים האלו, מוצאות בזריזות זבוב מת, וסוחבות אותן ביחד אל הקן.

לכאורה הבעיה נפתרה – כדי לבנות את הרובוט הכי חזק ויעיל אנחנו פשוט צריכים לבנות להק של רובוטים קטנים! כך כל רובוט יהיה חזק מאוד ביחס לגודל שלו, כי הוא קטנטן, ובמשותף הם הרובוטים יוכלו לסחוב גם משאות מאוד מאוד גדולים. פתרנו את האתגר היחס נפח – שטח אך יצרנו בעיות חדשות: תקשורת ותיאום מורכבים.

אין כמעט מינים של בעלי חיים שמסוגלים לבצע סחיבה משותפת. רק בני אדם וכמה מיני נמלים. סחיבה משותפת דורשת קואורדינציה מורכבת. אפילו לנו בני האדם קשה לבצע את הפעולה הזו ואנחנו עובדים על כישורי התיאום שלנו בסדנאות… אז איך נמלים עושות את זה? ללא חוקים, ללא אכיפה וללא תיאום ציפיות.

סחיבה משותפת אצל הנמלה מהמין אצנית ארוכת מחוש

לאחר שהאצנית הרימה לבדה את הקמפונית לגובה מטר, הצטרפה אליה חברה לסחיבה משותפת. האצנית ועוד כמה מיני נמלים הן בעל החיים היחיד שמסוגל לסחוב במשותף! ביחד האצניות יכולות לסחוב משא שגדול פי 5000 מנמלה בודדת במשקל. אפילו יותר מדהים מהיכולת לסחוב משא כבד כפרט יחיד היא היכולת לשאת במשותף, בתיאום מורכב ובשיתוף פעולה.

תיאום וקואורדינציה אצל אצניות ארוכות מחוש

הנושא הזה הוא מה שמעניין את החוקרים במעבדה של עופר פיינרמן במכון ויצמן. איך הנמלים מתארגנות במשותף ועושות דברים מדהימים יחד? איך הן מתאמות את הפעולות שלהן? איך הן מחליטות לאן ללכת בכל רגע? איך הן יודעות אם למשוך או לדחוף?

אותה שאלה אפשר לשאול גם על מוח אנושי או על מחשב. כל נוירון בפני עצמו לא ממש יודע כלום, כמו הנמלה. אז איך אוסף של נוירונים עושים דברים מדהימים כל כך? כל נמלה היא פשוטה, אבל כמושבה הנמלים יכולות לעשות דברים מטורפים. כשבאתי אל אהוד פוניו וראיינתי אותו על נמלים הוא סיפר לי בהתלהבות על כך שניתן להתבונן במושבת נמלים כאל "מוח פלואידי (זורם, נוזלי, משתנה)". אפשר לחקור את המוח דרך הנמלים כי קל בהרבה יותר לעקוב אחרי נמלה בודדת מאשר אחרי נוירון בודד במוח.

בין לבין – סיפור אישי – איך לעזאזל הגעתי לדבר הזה שנקרא פיזיקה של נמלים?

פרק ראשון – שפרה מנטרת הנמלים

התחלתי לנטר נמלים (Monitoring) כחלק מעבודתי בתור עובדת אתר בעינות צוקים – עין פשח'ה. לנטר נמלים זה לעשות סקר נמלים בשטח מסוים. זה יכול להיות סקר חד פעמי וזה יכול להיות סקר חוזר. בשמורה ישנה נמלה ייחודית, חכמה ויפיפה שנקראת אורגת האשלים, ואנחנו עובדי השמורה ערכנו ניטורים חוזרים כדי לבדוק שמצבה תמיד נהדר, שהיא לא נדחקת ע"י מינים פולשים, או מתמעטת בגלל פיתוח וכד'

זו הייתה אחת העבודות האהובות עליי. ללכת לבד, להתכופף עד הקרקע, לחפש את החיה הקטנה ביותר. להרים אבנים לחטט בצמחים, לעקוב אחרי נמלים ולראות מה הן עושות: סוחבות אבנים, גופות, זרעים, נמלים חיות אחרות, זחלים, ביצים, חומרי קינון. לראות אותן שותות מים מהמעיין ואת בטנן מתמלאת ופרקיהן מתרחבים. לראות אותן נפגשות זו עם זו ומחליפות אוכל ומידע. מתנקות. לראות אותן טוות משי ע"י זחליהן בפיהן. לראות אותן מגינות על הקן שלהן בתיפוף עז והפרשת חומרים.

היה חם רותח אש ומדי פעם טבלתי במי המעיין והצטננתי. הקושי העיקרי היה זבובי בקר ופרעושים שעוקצים. זבובי הבקר הפריעו בזמן אמת ועקיצות הפרעושים היו נשארות כואבות כחודש ימים. פרעושים זו חיה שקופצת ועוקצת יונקים. אין מה לעשות אני בגובה הקרקע ואני יונק…

בהמשך איתן רנן, ראש המעבדה האנטמולוגית היישומית באונ' תל אביב (היום ראש מארג – התוכנית הלאומית להערכת מצב הטבע בישראל) חיפש עוזר או עוזרת מחקר שיעשו לו עבודות בשטח באזור ים המלח וביקש המלצה מאלדד, מנהל השמורה. והנה נולדה אחת העבודות הכי שוות שהייתי בהן בחיים. מדי כמה ימים הייתי מגיעה, בזריחה, נכנסת לעומק השמורה ויוצאת לאסוף חרקים ממלכודות הנפילה. אני ואיתי הכנו יחד עם אנשי רשות הטבע והגנים סקרי נמלים ייעודיים ביישומון של הפקחים והתחיל פרק בחיי שעוד לא נפסק- שפרה מנטרת הנמלים 🙂

בסוף כל יום עבודה הייתי שולחת לאיתי את סיפורי היום והוא בתור המומחה היה יודע לזהות אילו פריטי מידע חשובים ומעניינים אבל היה נהנה גם מהשיתוף כולו.

לעולם לא אשכח את הסיורים הליליים שלי בניטורים בעין פשח'ה… כל השמורה מתמלאת בנמלים קמפוניות ענקיות בשיירות עבות ומבעיתנים רצים לכל כיוון…

עד היום אני בקשרים עם המעבדה האנטמולוגית לאקולוגיה יישומית וממשיכה לעבוד איתם!

פרק שני – שפרה סטודנטית לפיזיקה של נמלים

בתואר שני שלי, תכנית רוטשילד ויצמן למורים מצטיינים במכון ויצמן, יש פרויקט שעושים במעבדה. הציעו לנו לחקור זמנים אופיינים של תהליכים גרעיניים, תצפיות לחלל ועוד שלל מעבדות עם פיזיקה מורכבת ומסובכת. אבל אני רציתי פיזיקה של הטבע, בעדיפות לנמלים, כי גם ככה התעסקתי איתם חלק מהעיסוק הנוסף שלי- ניטורי נמלים. רציתי זווית נוספת, רציתי סינרגיה. מלבד הרצון שלי להתעסק בנמלים בפרט ובפיזיקה של בע"ח בכלל, רציתי דבר נוסף: איכות אנושית. לעבוד עם מדענים ואנשים טובים ונעימים. אז מה עשיתי?

עברתי על רשימת המעבדות במכון במרשתת וחיפשתי משהו שיכול להיות לי מגניב ומושך. במקביל פניתי לפרופ' יוסי יובל מאונ' תל אביב, שאותו כבר הכרתי והערכתי מאוד (הוא עזר לי באדיבות עם עבודות חקר של תלמידים שלי), ותחום העיסוק שלו גילה לי את הנושא שמרתק אותי יותר מכל (אקולוגיה חושית). שאלתי את יוסי אם יש לו המלצה בשבילי על מעבדה. הנה ההתכתבות שלנו:

הגענו לאודי פוניו וזו היתה התגשמות של כל הפנטזיות שלי על פיזיקה של נמלים. פיזיקה יפה ואלגנטית בבעל חיים יפה ואלגנטי לא פחות (טוב אני יודעת רמת האמינות שלי ירדה עכשיו 🤣). אודי הראה לנו שגם תופעות אופטיות עובדות בשיירת נמלים, שניתן ללמוד מהנמלים אלגוריתמים יעילים למדעי המחשב, על המוח האנושי ואפילו על ארגון חברתי ופוליטיקה! וואו 😁

הנה טעימה מראיון שראיינו את אודי:

פרק שלישי – שפרה מומחית הנמלים

בשלב זה כבר התעסקתי בנמלים כמה שנים. אני, איתי והמעבדה התמקצענו ביחד והתמחינו בנמלת האש הקטנה: מין פולשני והרסני שהולך ומתפשט בכל רחבי ישראל. פגשנו מומחים, קראנו עבודות וספרות מחקרית והתנסינו ישירות בשטח. אני המשכתי להיות העיניים והידיים של החוקר, של איתי, והוא היה המוח העסוק. ביחד הצלחנו ליצור פרוטוקלים חשובים לניטור וטיפול בנמלת האש הקטנה בישראל. סיימתי לעבוד אצל איתי באוניברסיטה והתחלתי לעבוד ישירות מול רשות הטבע והגנים, אז למעשה התחלתי את חיי כעצמאית. המשכתי כל הזמן להתמחות עוד ועוד מקריאה, פגישות וניסיון אישי.

מאז ניטרתי נמלים כבר בכל רחבי ים המלח כמה פעמים ואני ממשיכה לנטר באופן קבוע במרחב עין גדי. יום אחד יהיה לי זמן לפתח גם את העסק הזה 🙂

פרק רביעי בפתח – שפרה חוקרת הנמלים

קרה לי דבר מופלא השנה. מאז ההתכתבויות שלי עם יוסי יובל בפעמים הקטנות האלו בעבר הוא נעשה חבר שלי בפייסבוק. יוסי עקב וראה את המיזם פיזיקטבע, ראה מה תחומי העניין שלי והייתי נראית לו מתאימה לבוא לחקור אצלו. יוסי חוקר במחלקה לזואולוגיה ולכן קצת חסר לו תלמידים שבאים מהרקע של הפיזיקה, כמוהו. יוסי כתב לי מייל והנה אנחנו בפתח של פרק חדש מרגש ונפלא.

בפגישתנו יוסי הציע כמה נושאים אפשריים למחקר. אני העדפתי שיהיה קשור לים המלח ושיהיו לי ימי שטח. יוסי אמר שהוא רוצה להתחיל לחקור את חוש המישוש גם ושיש לו כרגע את הטכנולוגיה להקלטת תנודות ואז אני נזכרתי בתופעה מעניינת אצל הנמלה האורגת: אם תוקפים אותה בקן, לפעמים הנמלים מתחילות לתופף על הקן. הראיתי ליוסי את הוידאו שצילמתי של התופעה (אני אשים אותו פה אבל הוא לא באיכות טובה) וגם שלחתי לו את הטקסט הכתוב על התופעה אצל יעקב עופר. יוסי ראה שיש רקע על התופעה בקורי עכביש ושלח לי מאמר לקרוא.

התופעה מתוארת גם בספר הנפלא של יעקב עופר "נלך אל נמלה":

מרגש אותי הסרנדיפיות (משהו בין מזל לשכל). מרגש אותי שלא הייתי "פראיירית" בכל הימים בשמורה שהעדפתי להתעניין ולהתעמק ולא לשבת ולקשקש בקופה.. מרגש אותי שעשיתי מלא צעדים למען הסקרנות והכיף שלי והם כולם התחברו לי בסוף לאיזה תהליך שעוד רק מתחיל… מרגש אותי לדעת מה יילד יום!

וחזרנו למאמר – תפקיד הנמלה הבודדת במהלך הסחיבה המשותפת

במעבדה של פיינרמן גילו שיש כמה תפקידים שנמלים לוקחות במהלך הסחיבה המשותפת. התפקיד של נמלה בודדת באופרציה הזו היא לפעמים לתת מידע-תקשורת, לפעמים למשוך את המשא ולפעמים להרים את המשא למעלה. זה אולי נשמע קל, אבל נסו לסחוב עם כמה אנשים מקרר במדרגות לקומה שלישית ואז תדברו…

כאשר לנמלה יש מידע חדש, היא ולקחת לעצמה את תפקיד "המנהיגה". היא מסמנת באמצעות פרומון את הדרך הנכונה אל הקן, מצטרפת לסחיבה המשותפת ומושכת חזק ודומיננטי לכיוון שהיא למדה שהוא הכיוון הנכון אל הקן. הנמלים האחרות יודעת לחשב את הכוח השקול הפועל על המשא ולסחוב בכיוון אותו כוח שקול. ברגע שנמלה מנהיגה באה ומושכת חזק פתאום לכיוון אחר, הכוח השקול משתנה, והנמלים יודעות לשנות את כיוון הסחיבה לכיוון החדש.

כאשר נמלה מתפקדת ש"פועלת" היא חשה את הכוח השקול הפועל על המשא ועוזרת בסחיבה לכיוון זה. אם היא בצד המושך – היא מושכת לכיוון הקן ואם היא בצד ההפוך היא מרימה את המשא כלפי מעלה.

איך הנמלה יודעת איזה תפקיד לקחת? אם לנמלה יש מידע חדש, היא קודם כל מעבירה אותו לשאר הנמלים ע"י לקיחת תפקיד "המנהיגה". אם אין לה מידע חדש היא מצטרפת כ"פועלת" לחברות הסוחבות וסוחבת בכיוון שאליו פועל הכוח השקול שמפעילות כל הנמלים על המושבה. אם הנמלה בכיוון המושך היא מושכת ואם היא בכיוון הדוחף היא מרימה את המשא כלפי מעלה. נמלה בודדת פועלת אך ורק לפי הטבע שלה. היא מחליפה בין תפקיד המנהיגה (כשהיא מקבלת מידע חדש על כיוון ההליכה הנכון) לבין הפועלת הפשוטה (כשאין לה מידע חדש). ככל שיש יותר נמלים שסוחבות, המסע חלק יותר ועם פחות טעויות.

איזה מדהים אם גם אצלנו התקשורת הייתה ככה יחסית פתוחה? אם מישהו מושך אנחנו יודעים שיש לו סיבה והוא יודע מה הוא אומר… וגם אם הוא טועה אז לא נורא! יש עוד הרבה מנהיגות והרבה ניסיונות. ואם מישהו לא יודע מה הוא עושה הוא פשוט מצטרף לכולם ועושה מה שכולם עושים… איך זה נשמע לכם? (יכולים לכתוב בתגובות)

פוליטיקה של נמלים

אז האצניות ניצחו את עקרון הנפח- שטח שמגביל את החוזק של פרט בודד ע"י סחיבה משותפת. אבל גם פה יש לנו חוקים חדשים על הגבלת הגודל – כמה נמלים יכולות לסחוב יחד? יש מינימום? יש מקסימום?

אם רק שתי נמלים סוחבות, כמו בתמונה למעלה, יכול להיווצר מצב שכל אחד מושכת לכיוון אחר, והמשימה נכשלת. אין מספיק נמלים כדי לתת מידע טוב על הכיוון הנכון שצריך לסחוב את הנמלה. אין משמעות לתפקיד המנהיגה והפועלת המתחלפים. מצד שני, מצב של יותר מדי נמלים מוביל לקונפורמיות יתר, והמנהיגה הזמנית לא מצליחה לשנות את כיוון הסחיבה המשותפת כי הכוח שלך חלש יחסית לכוח השקול של הקבוצה. בנוסף, ככל שיש יותר נמלים שסוחבות את המשא אז כמובן יותר קשה להן לעבור במקומות צרים ומאתגרים.

לך אל הנמלה עצל ראה דרכיה וחכם – מה ניתן ללמוד מהנמלים?

אם ככה, אם אנחנו בני האדם רוצים לייצר מכונות שיסחבו משקלים כבדים, עלינו לייצר רובוטים קטנים שיודעים לתקשר אחד עם השני. לשם כך אנחנו צריכים להבין טוב את התקשורת, המידע והתפקידים השונים שרובוט יחיד ישמש בחלק מלהק רובוטים.

העולם מוגבל, ויש הגבלה על גודל רובוט ועל החוזק שלו ביחס לעצמו ולכן כדי לעשות דברים מדהימים חייבים שיתוף פעולה. צריך לדעת לפעמים להנהיג ולפעמים להיות פועל ולעבור בקלות בין התפקידים, בלי אגו. כל נמלה לא בודקת מה פרט אחר עושה ואין לה "פנקס" כל נמלה פשוט עושה מה שהיא יודעת לעשות.

אם אנחנו רוצים לבנות רובוט חזק ויעיל כדאי להשקיע בלהק של רובוטים קטנים, שמתקשרים ומשתפים פעולה. זה אתגר גדול ומעניין. גם ניתן ללמוד עלינו בני האדם – מה גודל קבוצת האנשים האופטימלית לפרויקט מסוים?

קישורים קשורים

• כתבה בהארץ: מה יכולה החברה האנושית ללמוד מהנמלה המשוגעת?
• עוד כתבה בהארץ על נמלים במעבדה של פיינרמן
• פודקאסט "הסכת ארצישראלי מצוי" שהשתתפתי בו על נמלים
• כמה הרצאות ביוטיוב של עופר פיינרמן על נמלים, פיזיקה חברה ועוד