iScience：蚂蚁为何能有条不紊地行进

大多数生物学家认为蚂蚁在一个新环境中漫无目的地游荡。亚利桑那大学的一项新研究表明，有一种岩蚁的搜索方式实际上更有条理。蚂蚁遵循一种系统的蜿蜒模式，并结合一些随机运动——这种方法有可能优化它们在自然环境中的探索。

　　

   

   

图片:研究人员研究的岩蚁属于Temnothorax属(图中是一个近亲物种)。岩蚁生活在小群体中，经常在岩石裂缝中筑巢。    

来源:Gilles San Martin/Wikimedia Commons

当你在一家不熟悉的杂货店闲逛时，你可能会发现自己有条不紊地沿着每个通道走，以确保你能找到你需要的所有东西，而不会重复走过同一条路。有时候，你会偏离这个有序的过程，比如当你在商店里看到一个充满活力的“出售”的标志，或者意识到你忘记了什么东西。根据亚利桑那大学研究人员领导的一项研究，一些蚂蚁以类似的方式寻找食物和住所。

在最近发表在iScience杂志上，亚利桑那大学的研究人员发现，当一群岩蚁被放置在实验室中一个陌生的环境中时，蚂蚁以一种不像之前想象的那样随机的方式漫步。蚂蚁遵循一种系统的蜿蜒模式，并结合一些随机运动——这种方法有可能优化它们在自然环境中的探索。

该论文的第一作者、亚利桑那大学生态与进化生物学系的研究生斯蒂芬·波普说:“此前，该领域的研究人员认为，蚂蚁在寻找它们不知道位置的目标时，是纯粹的随机行走。”“我们发现，岩蚁在探索它们巢穴周围的区域时，表现出一种引人注目的、有规律的蜿蜒模式。”

在亚利桑那州，人们可以发现这些蚂蚁在海拔7000英尺以上的岩石之间或岩石下筑巢。这些移动缓慢的生物只有中等米粒长度的一半。

研究发现，蚂蚁蜿蜒或之字形的行走模式可能会使它们的搜索比纯粹的随机搜索更有效。这是因为蚂蚁可以在更短的时间内探索更大的区域，因为它们不太频繁地穿过自己的路径。

波普说:“这些蚂蚁不像我们熟悉的许多蚂蚁那样形成明显的觅食痕迹。”“相反，蜂群依赖于个体觅食者寻找资源，使他们的搜索策略成为蜂群成功的关键部分。”

根据研究人员的说法，在这些岩蚁身上发现的漫步的进化优势可能也在其他昆虫和动物物种身上进化出来。有一天，蚂蚁的运动可能被用来指导在灾区执行搜索和救援任务的自主机器人群的设计，或者探索其他世界的景观。

由于在自然环境中很难追踪蚂蚁，Popp和他的团队从图森北部的莱蒙山顶部和周围收集了岩石蚁群。然后研究小组把蚂蚁搬到实验室，把它们放在一个铺着纸地板的封闭场地里。这个围场长2米，宽3米，和那些小蚂蚁相比是巨大的。

在被引入一个新家后，蚂蚁们渴望探索。

波普说:“这些蚂蚁可能一直在该地区巡逻，寻找其他竞争对手。”他解释说，有一种选择性压力，可以防止其他蚂蚁侵入它们的巢穴。“它们可能也在寻找食物和新的巢穴。”

研究人员很快就注意到蚂蚁在走动时蜿蜒的模式。这立即提出了一个问题:这些图案只是随机的涂鸦，还是蚂蚁在有条不紊地、非随机地移动?

为了解决这个问题，研究人员设置了摄像头，并使用自动跟踪软件，再加上手动校正，在五个小时内跟踪每只行进昆虫的单个路径。然后将蚂蚁的旅程与模拟蚂蚁以随机方式行走进行比较。

“我们研究了蚂蚁移动的方向是否在某种程度上取决于它之前移动的方向，”该研究的合著者、亚利桑那大学生态与进化生物学系教授安娜·多恩豪斯说。“这些方法帮助我们意识到，蚂蚁的搜索行为并不像生物学家之前认为的那样完全是随机的。”

换句话说，研究人员通过统计数据来确定蚂蚁转向的方向与它之前转向的方向直接相关。

Popp说:“我们的研究表明，蚂蚁在大约三个体长的相对规则的长度范围内平稳地左右交替转弯。对一些蚂蚁来说，蜿蜒的搜索模式甚至比其他蚂蚁更极端，有点像亚马逊盆地里蜿蜒的河流。”我对此很着迷，我想知道蚂蚁是如何确保它们不会一次又一次地穿过自己的路径，同时还在做极端的转弯和循环。”

Popp和Dornhaus指出，他们不知道这种搜索行为在蚂蚁的一生中是如何变化的，甚至不知道单个蚂蚁是否意识到这一点。无论如何，在未知环境中搜索资源时，曲径和随机性的组合可能是最优的。这种系统的方法可以让蚂蚁靠近巢穴，而不用在之前探索过的地面上来回穿越。添加的随机性解释了来自不可预测的自然环境的障碍。

波普说:“到目前为止，人们普遍认为自由搜索的动物无法有条不紊地寻找新资源。”“以前大多数关于搜索行为的研究只关注动物已经熟悉它要去哪里的情况，比如回到巢穴入口或回到一个难忘的食物来源。”

多恩豪斯说:“基于这些结果，许多动物可能会使用随机和系统搜索的复杂组合，在真实和复杂的栖息地优化效率和稳健性。”“这一发现为观察所有动物运动开辟了全新的方式。”

研究人员认为，他们的发现有可能统一包括生物学和机器人在内的不同科学领域。这些蚂蚁的漫游可能适用于现实环境，在现实环境中，当遇到障碍时，完全系统的搜索将会失败。

多恩豪斯说:“这一发现可能会为机器人专家带来应用，因为他们编程机器人能够找到周围的路或搜索一些东西。”“通过这种方式，他们可以使他们的算法更加健壮，这样当机器人失去准确位置的跟踪时，算法就不会立即失效。”