火蟻如何形成塔形或者筏子

類別: 新奇

將一堆5000只火蟻扔到水塘中。過幾分鐘這一堆火蟻就會變平,擴充套件為圓形薄餅的形式,可以漂浮幾周而不被溺死。

同樣將一堆火蟻扔到平地上的植物附近,他們就會在植物莖幹周圍疊羅漢,形成寶塔的形狀,有些時候可高達30蟻。蟻塔可以作為臨時的軍營,抵抗雨點。

螞蟻是如何形成以及為何形成這些勻稱但極不同的形狀的呢?他們依賴於觸覺和嗅覺——而非視覺來感知世界,因此他們只能感知到非常近處的事物。與一般的認知相悖,蟻后並不對群體釋出命令,而只是花時間產卵而已。每隻螞蟻基於收集到的近鄰資訊各行其是。

火蟻如何形成塔形或者筏子
credit: 煎蛋畫師Chon

作為一名系統工程師和生物學家,我深深為蟻群不同任務的效率而折服,比如尋找食物、水面漂浮、與其他螞蟻戰鬥、建造寶塔以及地下巢穴等,所有這些都是由數千個半盲愚鈍生物完成的,他們大腦的神經元數量還不到人類的千分之一。

在早先的研究中,我的同事David Hu和我研究了這些微小的生物是如何編排他們的身體形成能在洪水中漂浮幾周的防水救生筏的

現在我們想知道同樣的螞蟻是如何協調組裝成完全不同的陸上結構——寶塔的。

火蟻如何支援?

佐治亞州一半的螞蟻都是火蟻。為了收集我們的實驗室物件,我們慢慢將水倒入一個地下洞穴裡(壞東西啊),迫使螞蟻來到地面。然後我們捕捉他們,帶到實驗室裡,儲存在箱子裡。經過了一些痛苦的被咬,我們學會了將箱子排成一行,並用嬰兒爽身粉防止他們出逃。

為了觸發他們的建塔機制,我們將一堆螞蟻放在培養皿中,在中心用一根小型的杆子模擬植物莖幹。我們首先注意到他們的寶塔總是底部寬上部窄,就像是喇叭鍾。這是如何形成的呢?

我們首先猜想底部需要更多的螞蟻來支撐更大的重量,這被證實是正確的。為了精確化,我們假定每隻螞蟻都願意支撐一定數量其他螞蟻的重量,但不能更多了。

從這一假定我們推匯出一個數學公式,將塔的寬度預測為高度的函式。經過測量不同數量螞蟻形成的寶塔,我們確認了我們的模型:螞蟻願意支撐三個同胞的重量,但不能更多了。所以某一層所需的螞蟻數必須與下一個上層的數量相同(來支撐所有下一層之上的螞蟻的重量),再加上下一層數量的三分之一(來支撐下一層)。

隨後我們瞭解到建築師Gustave Eiffel為他的傑作使用了同樣的等量帶載原理。

杆周圍的環

然後我們就要問火蟻是如何建塔的。當然他們不會做數學,不知道要多少隻螞蟻才能建塔。還有他們為什麼是花費10到20分鐘建筏子而非僅僅1到2分鐘呢?這讓我們花了2年測試7個假設。

雖然我們認為塔是由水平層構成的,但螞蟻建塔並不是先完成底層然後每次增加一個完整層。他們無法事先“知道”底層會有多寬。他們沒辦法數有多少隻螞蟻更不用說測量一層的寬度或者計算必要的寬度。

相反,螞蟻在需要附著的表面上疾跑,由此增厚每一層塔。頂層總是在曾經的頂層上面形成。這一層是最狹窄的,由環繞杆子的螞蟻環構成,每隻螞蟻都勾住兩個水平相鄰的同伴。

我們關鍵的觀測是如果某個環並沒有完全環繞杆子,就無法支撐其他試圖在這之上建造另一個環的螞蟻們。經過測量螞蟻抓和與附著力,我們分析了環的物理學,並確定完全的環比未完全的要穩定20到100倍。看起來環的形成是寶塔增長的瓶頸。

這一假說給了我們可測試的預測。一個直徑更大的杆子需要更大一點的環,所以建塔會慢一點。為了得到定量預測,我們將螞蟻運動數學建模為1釐米內的隨機方向運動,這與我們的螞蟻筏子形成中的螞蟻運動模型一樣。

然後我們拍攝了螞蟻在環上運動的特寫鏡頭。基於100多個資料點,我們的環填充模型得到了有力的驗證。當我們利用不同直徑杆子進行建塔實驗時,直徑更大的杆子對應的塔建造速度也越慢,與我們的預測很一致。

慢速下沉

隨後另一個更大的驚訝襲來。我們曾認為,一旦塔建好了,全部工作就結束了。但在一次實驗中,我們不小心讓攝像機在塔建好後額外執行了一個小時。


火蟻形成寶塔的加速視訊

博士生Nathan Mlot是個很好的科學家,不會拋棄觀測資料。但他不想浪費一小時觀看什麼都不會發生的錄影。於是他以十倍速觀看了視訊,發現了驚人的一幕。

在十倍速下,表面的螞蟻移動十分迅速,以至於變得模糊,透過這些螞蟻可以看到下面的塔,而塔正在緩慢下沉。這發生得很慢,以至於在正常速度下無法察覺。

我們從透明培養皿底下觀察塔的底層。那裡的螞蟻形成隧道,逐漸逃出塔。然後在塔的表面上疾跑,直到最終加入到新的頂層環中。
我們無法看到塔深處的螞蟻。整個塔都在下沉還是僅僅其表面呢?我們認為是前者,因為螞蟻之間相互連線,形成一個整體。

我們招募了最近發明三維X射線技術的Daria Monaenkova。我們在蟻群中摻雜了某些攜帶放射性碘的螞蟻,並進行追蹤。每隻追蹤的螞蟻都下沉了。

或者這個研究最重要的暗示就是螞蟻不需要知道他們所有是否以相同的方式動作的。顯然他們服從相同的簡單運動規則:如果螞蟻在向你的上方移動,那你就不要動。如果不是,隨機移動,並且只有當你到達至少與一個靜止螞蟻相鄰的未佔據空間時才停下來。

一旦塔建好了,螞蟻就會在其中迴圈,同時保持其形狀。我們都很驚訝,我們以為一旦塔的高度達到極限螞蟻們就會停止建造塔。先前當我們研究螞蟻筏子的時候,我們卻驚訝於相反的方式。我們以為螞蟻會在筏子中迴圈流通,這樣才能輪流位於底部的水中。但事實上,底部的螞蟻可以保持靜止幾周。

我們所研究的每個生命體都比乍看起來更為複雜。理解簡單規則形成的精緻多變結構能增加我們對進化之力的敬畏,賦予設計多功能自組裝機器團隊的靈感。

本文譯自conversation,由譯者CliffBao基於創作共用協議(BY-NC)釋出。Craig Tovey(佐治亞理工學院)

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