叶切蚁群体活动节律的同步化代价：光照周期相移对群体行为与能量摄入的动态影响

本研究通过机器学习视频追踪技术，揭示了实验室条件下叶切蚁(Atta sexdens)群体的昼夜活动节律及其同步化机制。研究人员发现群体觅食与切叶活动呈现显著昼夜节律（主要集中于暗期），当光照周期(LD)发生6小时相移后，群体需5天完成再同步，期间伴随叶片摄入量增加及任务分配效率改变。该研究首次量化了社会性昆虫群体节律紊乱的生态代价，为理解复杂生物系统中多层级节律耦合提供了新模型。

　　

在自然界中，生物体通过内源性生物钟与外界环境周期保持同步，这种能力对生存至关重要。然而，对于由成千上万个个体组成的超有机体——如蚁群而言，其节律系统如何协调运作仍是个谜。叶切蚁作为典型的社会性昆虫，其群体活动表现出复杂的时间组织特征，但传统技术难以实现群体尺度的高通量行为监测。

巴西圣保罗大学(Universidade de S?o Paulo)生物科学研究所的研究团队创新性地开发了基于机器学习的视频追踪系统，对实验室条件下的叶切蚁(Atta sexdens)群体展开研究。通过分析20天的连续观测数据，发现群体觅食与切叶活动呈现稳定的昼夜节律，约87%的活动集中在暗期。当人为将光照周期(LD 12:12)延迟6小时后，群体表现出类似"时差反应"的调整过程：前5天为去同步化阶段，此时暗期觅食效率降低，每日叶片摄入量显著增加；第6天起重新建立与新的LD周期同步的活动模式。值得注意的是，同步状态下光期觅食效率（单位蚂蚁的切叶量）比暗期高42%，表明时间协调对群体能量平衡具有关键作用。该成果发表于《Communications Biology》，为理解社会性系统的动态节律调控提供了新视角。

研究采用三项关键技术：1) 基于YOLOv5算法的自动化视频追踪系统，可同时监测上百只蚂蚁的移动轨迹；2) 随机化喂食方案（每日随机时间提供Acalypha sp.叶片），避免食物补充时间成为同步化因素；3) 短时掩蔽效应(STR)量化方法，通过计算喂食前后120分钟的行为变化面积比(AUC)，评估群体对突发食物信号的响应强度。

群体活动是否存在昼夜节律？

通过分析87,671次蚂蚁穿越事件发现，觅食与切叶活动均呈现24小时节律性（Lomb-Scargle周期检验p<0.01）。群体对叶片补充的响应强度存在时间依赖性：在昼夜转换时段（18:00）和活动峰值时段（00:00）的响应最为强烈，此时喂食可使切叶量提升5.9倍。

节律是否受光照周期调控？

LD周期相移后，群体活动经历5天过渡期才与新周期同步。过渡期内，原本暗期的高效觅食模式消失，光期与暗期的觅食-切叶比例趋于相似。GLMM模型显示，切叶速率与光照阶段存在显著交互作用(z=1.712, p=0.08)，表明光信号直接影响任务分配策略。

再同步如何影响能量摄入？

过渡期每日叶片消耗量比基线期增加23%（ANOVA, p=0.01），且光/暗期消耗比例发生倒置。同步状态下暗期消耗占比65%，而过渡期前3天该比例升至82%，后2天又降至35%，反映群体内部正在进行动态的劳动力重组。

该研究首次揭示社会性昆虫群体面临节律紊乱时表现出的多层次适应策略：短期内通过增加资源获取弥补协调效率损失，长期则通过重组任务分配恢复稳态。这种"效率-弹性"权衡机制与哺乳动物的生物钟调控存在有趣相似性，如过渡期增加的叶片摄入类似于人类时差反应中的代谢紊乱。研究建立的机器学习追踪范式为探索其他复杂生物系统的动态节律提供了可扩展的技术框架，特别适用于研究社会行为与生物钟的协同进化。Mila Maria Pamplona-Barbosa等学者特别指出，叶切蚁群体中光期觅食者的高效率可能代表一种进化保守的"侦察兵"策略，这种在个体与群体层面展现的不同优化标准，为理解自然选择在多层级系统中的运作提供了新线索。