科学家捕捉蚂蚁在巢穴中创造稳定“隧道”的过程:像人类玩层层叠游戏

据外媒报道,蚂蚁是惊人的挖掘者,它们建造了精心设计的巢穴,其中有多层由错综复杂的“隧道”网络连接,有时深度达到25英尺。现在,来自加州理工学院的一个科学家小组利用X射线成像技术,捕捉到了蚂蚁如何建造“隧道的过程。科学家们发现,蚂蚁已经进化到能够直观地感觉到它们可以移除哪些谷物颗粒,同时保持结构的稳定性,这很像在玩“层层叠”(Jenga)积木游戏时移除单个积木。该团队在发表于《美国国家科学院院刊》的一篇新论文中描述了他们的工作。

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对群体行为感兴趣的科学家们几十年来一直在研究蚂蚁。这是因为,作为一个群体,蚂蚁的行为就像一种颗粒介质。几只相隔很远的蚂蚁的行为就像单个蚂蚁。但是把足够多的蚂蚁紧紧地挤在一起,它们的行为就更像一个单元,同时表现出固体和液体的特性。蚂蚁可能是拥有微小大脑的小动物,但是这些社会性昆虫能够集体地将自己组织成一个高效的社区,以确保蚁群的生存。

几年前,法国图卢兹高等研究所的行为生物学家Guy Theraulaz和几位同事将蚂蚁的实验室实验和计算机建模相结合,确定了支配蚂蚁隧道行为的三个简单规则。简而言之。(1) 蚂蚁以恒定的速度拾取谷物(大约每分钟两粒);(2) 蚂蚁优先在其他谷物附近丢弃它们的谷物,以形成支柱;以及(3) 蚂蚁通常在被其他蚂蚁处理后选择带有化学信息素的谷物。Theraulaz等人根据这三条规则建立了一个计算机模拟,并发现一周后,他们的虚拟蚂蚁建立了一个与真实蚂蚁窝非常相似的结构。他们得出的结论是,这些规则产生于个体蚂蚁之间的局部互动,不需要中央协调。

最近,2020年的一篇论文发现,蚂蚁群中如何出现分工的社会动态类似于人类社会网络中的政治两极化发展。蚂蚁也擅长调节自己的交通流。佐治亚理工学院的 Daniel Goldman领导的研究小组在2018年的一项研究调查了火蚁如何在不造成“交通堵塞”的情况下优化其挖隧道的努力。该小组得出结论,当一只蚂蚁遇到其他蚂蚁已经在工作的隧道时,它就会撤退去寻找另一条隧道。而且在任何时候,只有一小部分的蚁群在挖掘。30%的蚂蚁做了70%的工作。

佐治亚理工学院David Hu的生物运动小组也对火蚁进行了研究。2019年,他和他的同事报告说,火蚁能够主动感知作用在其浮筏上的力量变化。蚂蚁能识别流体流动的不同条件,并能相应地调整它们的行为,以保持筏子的稳定性。在河水中移动的桨会产生一系列旋转的涡流(被称为涡流脱落),导致蚂蚁筏子旋转。这些漩涡还可以对蚁筏施加额外的力量,足以使其破裂。作用在蚁筏上的离心力和剪切力的变化都相当小--可能是正常重力的2%到3%。然而,不知何故,蚂蚁可以用它们的身体感知这些微小的变化。

这篇最新的论文集中于西方收获蚁(Pogonomyrmex occidentalis),因为它们对毫米级的土壤颗粒具有多产的挖掘能力而被选中。研究合著者José Andrade是加州理工学院的一名机械工程师,在看到蚁穴艺术的例子后,他受到了探索隧道蚂蚁的启发。这些作品是通过将某种熔化的金属、石膏或水泥倒入蚁丘,流经所有的隧道并最终变硬。然后,周围的土壤被移除,露出最后的复杂结构。安德拉德印象非常深刻,他开始怀疑蚂蚁是否真的"知道"如何挖掘这些结构。

Andrade与加州理工学院生物工程师 Joe Parker 合作开展了这个项目;Parker的研究重点是蚂蚁与其他物种的生态关系。“我们无法采访任何蚂蚁,问它们是否知道自己在做什么,但我们确实从假设开始,它们以一种故意的方式挖掘,"Andrade说。"我们假设,也许蚂蚁在玩Jenga游戏。”

换句话说,研究人员怀疑蚂蚁在土壤中寻找松散的谷物来移除,就像人们从Jenga积木塔中寻找松散的积木来移除一样,将关键的承重部分留在原地。这些积木是所谓的"力链"的一部分,用于将积木(或粒状土壤颗粒,在蚁穴的情况下)卡在一起,创造一个稳定的结构。

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在他们的实验中,Andrade和他的同事将500毫升Quikrete土壤与20毫升的水混合,并将混合物放在几个小杯的土壤中。这些杯子的大小是根据它们可以被放置在CT扫描仪内的方便程度来选择的。通过试验和错误--从一只蚂蚁开始,逐渐增加数量--研究人员确定了达到最佳挖掘率所需的蚂蚁数量。

研究小组在蚂蚁开凿隧道时,每10分钟进行一次4分钟的半分辨率扫描,以监测它们的进展。从所得到的3D图像中,他们为样品中的每一个颗粒创建了一个"数字头像",捕捉每一个颗粒的形状、位置和方向--所有这些都能显著影响土壤样品中的力的分布。研究人员还能够通过比较在不同时间段拍摄的图像,弄清每颗颗粒被蚂蚁清除的顺序。

在勤奋地挖掘隧道时,蚂蚁们并不总是合作。Andrade说:“它们有点反复无常。它们想什么时候挖就什么时候挖。我们会把这些蚂蚁放在一个容器里,有些蚂蚁会立即开始挖掘,它们会取得惊人的进展。但是其他的--这将是几个小时,它们根本就不挖。还有一些会挖一会儿,然后停下来休息一下。”

Andrade和Parker在他们的分析中注意到一些新出现的模式。例如,蚂蚁通常沿着杯子的内侧边缘挖掘--这是一个有效的策略,因为杯子的侧面可以作为隧道结构的一部分,为蚂蚁节省了一些精力。蚂蚁们还喜欢用直线来挖隧道,这是一种优化效率的策略。而且,蚂蚁们倾向于尽可能陡峭地挖掘隧道。在像土壤这样的颗粒状介质中,最陡峭的极限被称为"倾角";超过这个角度,结构就会坍塌。不知何故,蚂蚁能感觉到这个临界点,确保它们的隧道永远不会超过俯仰角。

至于潜在的物理学,研究小组发现,当蚂蚁移开土壤颗粒来挖掘它们的隧道时,作用在结构上的力链从随机分布中重新排列,在隧道外形成一种衬垫。这种力的重新分配加强了隧道现有的墙壁,并缓解了隧道末端的谷物所施加的压力,使蚂蚁更容易移除这些谷物以进一步延长隧道。

Parker说:“在工程学和蚂蚁生态学中,蚂蚁如何建造这些持续几十年的结构一直是个谜。事实证明,通过以我们观察到的这种模式移除谷物,蚂蚁在向下挖掘时从这些圆周力链中受益。蚂蚁敲击单个谷物以评估施加在它们身上的机械力。”

Parker认为这是一种行为算法。他说:“这种算法并不存在于一只蚂蚁之中。这是所有这些‘工人’像一个超级有机体一样行动的这种新兴的群体行为。这种行为程序如何在所有这些蚂蚁的小脑中传播,是我们无法解释的自然世界的一个奇迹。”

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