研究揭示蟻穴背后的物理學(xué)原理

　　
 

　　▲在螞蟻挖隧道之前，土壤顆粒之間的力鏈是隨機排列的(左)，但當螞蟻挖隧道后，力鏈會(huì )重新排列。

　　
 

　　▲研究人員站在螞蟻穴模型旁邊。圖片來(lái)源：美國加州理工學(xué)院

　　■記者 唐鳳

　　在卡通片《別惹螞蟻》中，盧卡斯欺負小螞蟻時(shí)看到的只有草坪上冒出來(lái)的一個(gè)小土堆，中間有一個(gè)小洞，幾只螞蟻四處亂爬。蟻丘看上去很普通。

　　但當盧卡斯被神奇藥水縮小后，一個(gè)螞蟻地下王國展現在他眼前。隧道向下延伸，不斷分支并通向專(zhuān)門(mén)的空間：蟻后的家、幼蟻的溫床、食物儲藏間、垃圾站等。25英尺的地下，在沒(méi)有機械和加固材料的情況下，螞蟻建造了一個(gè)能容納數百萬(wàn)同伴的家園，并能維持數十年。

　　現在，利用X成像和計算機模擬技術(shù)，美國研究人員揭開(kāi)了螞蟻如何建造這些復雜而穩定的結構。相關(guān)論文刊登于美國《國家科學(xué)院院刊》。

　　有“想”才做

　　螞蟻“知道”如何挖隧道嗎，還是它們只是盲目地挖?加州理工學(xué)院的Jos Andrade一直有這個(gè)疑問(wèn)。

　　但Andrade是一名工程師，對螞蟻“一竅不通”，所以他求助于該校生物學(xué)和生物工程助理教授Joe Parker，后者的研究重點(diǎn)是螞蟻及其與其他物種的生態(tài)關(guān)系。

　　Parker說(shuō)：“Andrade團隊需要一個(gè)研究螞蟻的人，以便深入了解這些群居昆蟲(chóng)的適應性和集體行為，為弄清其挖掘行為機制提供一些生物學(xué)信息。”

　　《中國科學(xué)報》從加州理工學(xué)院獲悉，研究人員花了近1年時(shí)間培養并了解螞蟻。他們不僅需要繁殖足夠多的螞蟻進(jìn)行研究，還需要進(jìn)行大量試驗。

　　研究人員在一個(gè)容器中建立了小型蟻群，容器中裝有500毫升土壤和15只西方收獲蟻。每隔10分鐘，高分辨率X射線(xiàn)掃描裝置就會(huì )捕捉到每一只螞蟻和每一粒土壤的位置，每次試驗持續20小時(shí)。

　　“螞蟻有點(diǎn)反復無(wú)常，它們想挖就挖。”Andrade告訴記者，“我們把螞蟻放在一個(gè)容器里，有些螞蟻會(huì )馬上開(kāi)始挖掘，并會(huì )取得驚人的進(jìn)展。但有些可能要花上幾個(gè)小時(shí)，甚至根本不挖。有些螞蟻會(huì )挖一會(huì )兒，然后停下來(lái)休息一下。”

　　一旦螞蟻開(kāi)始行動(dòng)，研究人員就會(huì )對整個(gè)過(guò)程進(jìn)行X光掃描，從而生成所有內部隧道的三維掃描圖。研究人員可以借助掃描結果創(chuàng )建模型，顯示螞蟻隨著(zhù)隧道越來(lái)越深取得的進(jìn)展。

　　螞蟻也懂物理學(xué)

　　接下來(lái)，研究人員開(kāi)始分析螞蟻的實(shí)際工作是什么。

　　他們發(fā)現，首先，螞蟻會(huì )盡可能地提高效率。它們會(huì )沿著(zhù)容器的內邊緣挖掘，因為容器本身能充當隧道結構的一部分，從而減少工作量。

　　它們會(huì )把隧道挖得盡可能直。“因為直線(xiàn)是兩點(diǎn)之間最短的路徑。而且，它們懂得利用容器的側面，這表明螞蟻的工作非常高效。”Andrade說(shuō)。

　　螞蟻也會(huì )盡可能地挖出陡峭的隧道，一直挖到所謂的靜止角。這個(gè)角度代表了顆粒材料在崩塌前可以堆積的最大角度。

　　什么是靜止角?Andrade提到，想象在海灘上建造一個(gè)沙堡。如果用的是干沙子，加進(jìn)去的每一勺沙子都會(huì )順著(zhù)已經(jīng)堆好的沙子滑下去。更多的沙子會(huì )使沙堆更高、更寬，但永遠不會(huì )變得更陡。如果使用濕沙，就能夠把沙堆得足夠陡峭，以建造墻、塔和沙堡等。

　　濕沙比干沙有更高的靜止角，螞蟻能分辨出挖洞時(shí)的角度能有多陡，而且不會(huì )超過(guò)這個(gè)角度。“如果我是一名挖掘者，如果要活下來(lái)，我的挖掘技術(shù)必須符合物理定律，否則隧道就會(huì )坍塌，我就會(huì )死。”他說(shuō)。

　　螞蟻隧道的物理原理是這樣的：當螞蟻移走土壤顆粒時(shí)，它們會(huì )導致隧道周?chē)兄亓︽湹闹匦屡帕?。這些力鏈在螞蟻開(kāi)始挖掘之前是隨機的。重新排列后，力鏈一方面加固了隧道現有的土壁，同時(shí)減輕了隧道末端顆粒承受的壓力，使螞蟻更容易安全地移走它們。

　　“在工程學(xué)和螞蟻生態(tài)學(xué)中，螞蟻如何構建這些持續數十年的結構一直是個(gè)謎。”Parker說(shuō)，“事實(shí)證明，螞蟻在挖掘時(shí)受益于這些環(huán)向力鏈。”

　　超級有機體

　　回到開(kāi)頭的那個(gè)問(wèn)題：螞蟻在挖洞的時(shí)候知道自己在做什么嗎?

　　實(shí)際上，有人曾把熔化的塑料或金屬倒進(jìn)蟻巢，當它們凝固成模型后，人們就能看到這些巨大的隧道系統。“這些系統令人印象深刻。我曾看到一張模型照片，旁邊有一個(gè)人。我在想，‘天哪，這真是一個(gè)奇妙的結構。’從那以后，我開(kāi)始懷疑螞蟻是否‘知道’如何挖掘。”Andrade說(shuō)。

　　但是人們沒(méi)有辦法詢(xún)問(wèn)螞蟻，于是，研究人員一開(kāi)始就假設螞蟻有意識地在泥土中摸索，尋找松散的土粒以便移走。這就像抽積木游戲，玩家需要選擇哪塊積木能安全取出來(lái)。而那些無(wú)法移開(kāi)的石塊，就是螞蟻建筑的承重“梁柱”(即力鏈)的一部分。

　　“一開(kāi)始，我們假設螞蟻可以感覺(jué)到這些力鏈，并避免在那里挖掘。它們可能在不停地敲打土壤顆粒，以評估施加在這些顆粒上的機械力。”Andrade告訴記者，“但后來(lái)，我們發(fā)現，它們似乎并不‘知道’自己在做什么。它們沒(méi)有系統地尋找沙子中的薄弱點(diǎn)。相反，螞蟻可能根據物理定律進(jìn)化出了挖掘能力。”

　　Parker將這稱(chēng)為行為算法。“這種算法并不存在于一只螞蟻身上。”他說(shuō)，“所有工蟻的群體行為就像一個(gè)超級有機體。這種行為程序是如何在所有螞蟻的大腦中傳播的，這是自然界的一個(gè)奇跡，我們無(wú)法解釋。”

　　Andrade希望開(kāi)發(fā)一種人工智能方法，可以模擬這種行為算法，這樣他就可以在電腦上模擬螞蟻是如何挖掘的，并將螞蟻的挖掘能力用于建造人類(lèi)隧道。

　　“與流體或固體等材料相比，顆粒材料的形成方式不同。移動(dòng)顆粒狀材料是非常耗能的，而且成本非常高昂。”他說(shuō)，“如果螞蟻的行為算法能夠被進(jìn)一步分析并最終復制，那么就可能在自動(dòng)采礦機器人上得到應用——無(wú)論在地球還是其他行星上，機器人都能更有效地工作。”