螞蟻找路的故事 | 舊識新知
導語：
自然界的奇妙體現(xiàn)于高度聰明的系統(tǒng)可以從完全“無智”的環(huán)境中發(fā)展出來，而一些重要的科學發(fā)現(xiàn)也往往來自地位低下，經(jīng)費條件不好的科學家。作者用螞蟻找路的故事來說明這個道理。
撰文 | 吳建永（美國喬治城大學醫(yī)學院神經(jīng)科學教授）
責編 | 鄧志英
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找路對螞蟻很重要。它們那么小，一個小花園那么大地方就是它們的半個世界了。螞蟻的食物一般是隨機地散布在不同的地方，這里有幾粒種子，那邊有幾滴花蜜，沒個一個固定的地方。所以螞蟻出去尋食的時候總是一大群工蟻出窩，漫無目的地隨機尋找，而當某一個螞蟻找到食物，就馬上回窩報告，其他螞蟻就會隨之而來，排成隊沿著最近的路徑把食物搬回窩里。這種高效率的找路方式對螞蟻的生存很重要，如果尋食不能盡可能覆蓋整個區(qū)域，回窩不會走最短路徑，螞蟻就很難在嚴酷的自然條件下活到今天。
研究螞蟻的科學家里有位世界聞名的“E. O. Wilson”。他生于1929年，從小喜歡自然，喜歡觀察動物，可是在他七歲的時候釣魚弄傷了右眼，失去了視覺。
少了一只眼為他在野外觀察動物增加了很多困難，所以他就轉(zhuǎn)向觀察昆蟲。他的左眼有非常好的視力，能看到小蟲子腿上的毛毛。他九歲的時候就開始在他家附近的石溪公園采集昆蟲標本。這個公園在美國首都華盛頓的西北，有延綿二十幾公里的峽谷和小溪。
年輕的Wilson想要當一名昆蟲學家?？墒窃诋敃r第二次世界大戰(zhàn)的時候買不到固定昆蟲標本用的昆蟲針。于是他只好轉(zhuǎn)向收集螞蟻。因為螞蟻標本可以不用昆蟲針，一堆一堆裝在小瓶子里保存。1955年，他得到哈佛大學的博士學位，論文就是研究一種螞蟻的形態(tài)。不久后他開始對螞蟻找路的原理產(chǎn)生興趣。一群螞蟻究竟是靠什么來跟著找到食物的螞蟻呢？
大多科學發(fā)現(xiàn)來自于清晰的思路和仔細的觀察。Wilson靠著從小建立的強烈興趣，以過人的耐心在巴西熱帶雨林里忍受著極端困苦觀察一種巴西火蟻（Solenopsis saevissima，是火蟻的一種）。慢慢地他有了一些想法：螞蟻是依靠氣味來找路的。第一只找到食物的螞蟻會在回窩的路上留下一些氣味，后來的螞蟻就順著氣味找到食物，再順著氣味回到窩里。
這種通過觀察產(chǎn)生的“想法”在科學上叫作“假說”（hypothesis）?？茖W發(fā)現(xiàn)的過程就是通過觀察和直覺提出一個個假說，并用實驗方法把一個個假說證實或否定。如果想證實螞蟻是通過氣味來找路的，就首先要證實：
1.這種氣味必須是螞蟻產(chǎn)生的，而不是像蜜糖那樣的食物氣味來吸引螞蟻。
2.把這種氣味畫在路上可以引導螞蟻，而并不需要前面真的走過一只找到食物的螞蟻。
有了清晰的思路，實驗就可能非常簡單，為了證明螞蟻能產(chǎn)生引導其他螞蟻的氣味，Wilson收集了幾百只螞蟻，晾干碾碎后放在酒精里浸泡，然后讓酒精逐漸蒸發(fā)，留下一小滴“精油”。他用細毛筆粘了一點精油，在螞蟻經(jīng)過的路徑上畫了一個岔路，果然能引導后來的一大群螞蟻走到岔路上去。這就初步證明了螞蟻確實是靠螞蟻本身產(chǎn)生的氣味來引導的。
然后他想知道在螞蟻身體中究竟是哪個器官產(chǎn)生這種引路的氣味。這就不是在精密儀器上按電鈕能解決的問題了。而他最有效的“儀器”是雜貨店里五分錢買來的小刀。他把晾干的螞蟻切成很多部分，幾百只螞蟻，頭部，腿，胸，尾巴等各堆成一小堆。然后分別用酒精浸泡提取，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有從尾部提取出的物質(zhì)有強大的吸引作用，而身體其他部分則沒用。
他為自己的發(fā)現(xiàn)大為興奮，下一步就是再收集幾百只螞蟻，解剖它們的尾部，把里面的腸子，腺體等一一分開提取。最后發(fā)現(xiàn)氣味是由尾部一個小小的腺體，杜佛氏腺體（Dufour’s gland）產(chǎn)生的。
杜佛氏腺體是法國科學家杜佛（Jean-MarieLéon Dufour 1780-1865）于1841年發(fā)現(xiàn)的。這種腺體在所有細腰亞目（Apocrita）昆蟲里都有。原來認為杜佛氏腺體的功能只是幫助產(chǎn)卵和注射叮人的毒液，Wilson發(fā)現(xiàn)工蟻利用這個腺體來產(chǎn)生找路的氣味。1962年，Wilson終于用堅實的實驗證據(jù)證明巴西紅蟻是利用氣味來找路的。
這種氣味被歸屬為在一個動物種群中個體與個體互相通訊的化學物質(zhì)，有個特殊的名字叫“費洛蒙”（pheromone）。費洛蒙于1959年被定名，取希臘文中“隔空”和“激素”兩字的意思。中文也常把費洛蒙譯成“外激素”，因為激素是動物體內(nèi)分泌并影響本身其他器官的物質(zhì)，而費洛蒙則是種群中一個個體分泌影響群體中其他個體的物質(zhì)。
費洛蒙在動物個體之間互動的過程中有極大作用，求偶有“性費洛蒙”， 打群架有“警告”和“攻擊”費洛蒙。費洛蒙是個大的研究領(lǐng)域，除了涉及種群內(nèi)個體交流，近年來更有集體智慧 （Swarm Intelligence, 就是一大群昆蟲合起來產(chǎn)生高度智能）， 以及為了集團利益犧牲個體的利他行為等的研究。人類社會和螞蟻社會有類似的等級結(jié)構(gòu)，群體行為和利他行為。所以Wilson后來最出名的工作是利用研究螞蟻來研究人類的社會行為。
人類雖然主要用語言交流， 但費洛蒙也可能通過影響人的本能來左右意識決定。據(jù)說在男找女、女找男的過程中，費洛蒙也起了很大作用，尤其是在一見鐘情的速配過程中。很多無良商家多少年來就想造出這種香水，除了用于獵艷，也可能瞬間決定幾億的商業(yè)合同的命運。
雖然Wilson發(fā)現(xiàn)了帶領(lǐng)螞蟻回家的化學信使，但卻并沒發(fā)現(xiàn)螞蟻怎樣找直路回家的原理。 科學總是這樣，一個發(fā)現(xiàn)總會帶來更多、更復(fù)雜的問題。在螞蟻找路的問題上也是這樣。
由于螞蟻的食物是在外面隨機分布的，而螞蟻出窩時并不知道食物的方位。所以螞蟻找食只能隨處亂轉(zhuǎn)，軌跡就像沒頭蒼蠅一樣到處畫圈， 直到找到了一塊食物。這時奇跡發(fā)生了！背著食物的螞蟻會走直路回家??！而非重復(fù)巡食時候走的那些曲曲彎彎的道路。Wilson發(fā)現(xiàn)的循跡費洛蒙就是在直接回家的路上留下的。
可以說，螞蟻必須有這種超人的本領(lǐng)才能在嚴酷的環(huán)境中活下來。如果不會直接回窩，而是背著食物重復(fù)尋食時的道路，就會消耗自己的能量，考慮后面大群跟隨循跡費洛蒙的螞蟻，這種浪費就更驚人了。所以每個工蟻都必須是曲線巡食、捷徑回家的高手。為了破解螞蟻捷徑回家的謎團，Wilson和很多專家都進行了研究但并沒有搞清楚。有個世界級的螞蟻權(quán)威說螞蟻會看天光，是根據(jù)太陽偏振光的方向辨明家的方向和地點的。這個論點在業(yè)內(nèi)被基本上接受，可細想起來靠偏振光找路的理論還是有很多疑點的。
時間到了1990年代，中國已經(jīng)改革開放。但當時國內(nèi)的路子主要是忙著建大中心、買大儀器、打造“世界一流”的大學和研究機構(gòu)。而許多普通研究人員則是在缺乏經(jīng)費、缺乏助手環(huán)境下自生自滅。中科院的沈鈞賢老師當時即沒錢又沒學生, 眼睜睜看著自己研究的黃金年齡逐漸消逝。為了找點事做，他就鼓搗起了螞蟻找路這個世界難題.
?中科院生物物理所的沈鈞賢老師
雖然沒有經(jīng)費，但螞蟻在研究所院子里到處有。 吸引螞蟻可以用油條渣子。沒有助手，就開夫妻店。他們在院子里用塑料板搭起涼棚改變偏振光條件，發(fā)現(xiàn)螞蟻照樣直線回窩。
然后把食物放在一塊木板上讓螞蟻找到食物后再讓整個木板平移或旋轉(zhuǎn)一個角度。這樣雖然天上的光沒變但地上的路變了，螞蟻這時就出了錯，錯誤的方向和距離與旋轉(zhuǎn)或平移造成的錯誤一模一樣。這樣就基本否定了靠偏振光認路的理論。
?螞蟻找食和回窩的路徑。每個小圓圈標注10秒時間。采自沈鈞賢文章的圖二(Shen et al。，(1998)，Anim。Behav。55:1443。) 可以看出，螞蟻找食的路徑（紅色實線）很曲折且走得很慢，而回窩的路徑（黑色虛線）很直且走得快。
沈老師螞蟻實驗的方法可謂經(jīng)典。為了否定偏振光引路這個假說，必須用兩個實驗：
1. 改變偏振光的角度，而對螞蟻找路沒有影響。
2.改變其他條件而不改變偏振光，卻對螞蟻找路產(chǎn)生了明顯影響。
有了這正反兩個方面的證明，結(jié)果才能說服大多數(shù)同行。
否定了偏振光引路理論，這絕對是個“世界先進水平”的大發(fā)現(xiàn)。但沈老師卻平常心看待，把文章投到一個專業(yè)的昆蟲學雜志上了，并拒絕了“頂級雜志”。這被傳為“極少數(shù)牛人才有的自信” 。其實是因為當時國內(nèi)科學界還沒有那么膜拜頂級雜志，沈老師雖然知道這個發(fā)現(xiàn)的意義，但也沒精力和那些頂級雜志折騰，就順手投到一個專業(yè)昆蟲學雜志上了。
沒想到審稿的正是那位世界級的螞蟻權(quán)威，雖然沈的文章推翻了他的權(quán)威理論，但由于沈的實驗嚴謹，文章寫得無懈可擊，世界級權(quán)威立即就建議雜志接受了。戲劇性的是Science雜志聽說后，居然立刻給沈鈞賢打電話，詳細地詢問了實驗的細節(jié)，并以科學新聞的形式和那本昆蟲學雜志同時發(fā)表了消息。做科研做到讓頂級雜志主動打電話詢問結(jié)果，這個比較少見吧？
可是推翻了偏振光理論，那螞蟻到底靠什么來找路呢?
2006年，在頂級雜志Science上，前面提到的世界級螞蟻權(quán)威發(fā)了一篇叫“ant odometer”（螞蟻計步器）的文章，說螞蟻竟然是靠數(shù)自己的步子來定位的。用左右兩邊的步長乘以每段路徑的步數(shù)，就可以完全重現(xiàn)出螞蟻的路徑，并以此反推螞蟻窩的方向。知道了方向，直線走回窩就完全可能了。
這個理論上聽著很神奇，實際上類似的理論，“path integration”（就是對路徑進行積分）早已有了。但理論不算數(shù)，要在實驗上得到驗證才能算數(shù)。比如我們可以用錄像機精確地紀錄出螞蟻的步數(shù)和步長，然后再精確地劃出行徑，算出窩的位置。
可是怎樣用實驗證明，螞蟻就是靠數(shù)步子，而非靠著其他機制呢? 答案不是來自高級儀器，而是清晰思路和小聰明。
說來十分簡單，如果螞蟻確實是靠數(shù)步子來記路，那么把它的步長改變，就一定會產(chǎn)生誤差。比如把它的腿剪短一些，那么每一步就小些，最后積累起來就使想象中窩的距離比實際距離近。相反如果把螞蟻腿粘上一截小棍，每一步就大些，使想象中的距離比實際更近。
?加長和減短螞蟻腿的實驗，采自 Wittlinger et al。，(2006) Science 312: 1965。的圖二
這簡直是中學生都能做的實驗！ 確實，有時重大發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵實驗就是這么簡單。 比如沈鈞賢的實驗就沒用錄像設(shè)備，用手在紙上畫的圖也就接受了（見圖“螞蟻找食和回窩的路徑”）?？茖W發(fā)現(xiàn)中最重要的元素還是想象、提出假說和驗證假說。這點和藝術(shù)家差不多。
在美國，管科研經(jīng)費的國會議員經(jīng)常會問，科學家研究螞蟻有什么用？能解決住房、醫(yī)保、老齡化等大規(guī)模社會問題嗎？科學家在這個問題上一點不能含糊，一句答不上經(jīng)費就砍了。老齡化是世界性的問題，不管是歐美先富后老還是中國未富先老，老了總要有人照顧。依靠今天的技術(shù)，在老齡化社會中全世界的勞動力都去當護工也許還不夠。而也許研究螞蟻可以幫助人類走出這個惡夢。
家里有老人的朋友都知道，早期老人思想清楚、生活能自理的時候，最需要的是有人幫著打掃衛(wèi)生、端湯送飯、跑腿買菜取藥等。會精確定位，能自動找回家的機器螞蟻很可能承擔起這個任務(wù)。六條腿的機器螞蟻可以垂直爬樓房，不會跌倒，可以自動躲避汽車，不容易被賊設(shè)陷阱打劫（跑得比人快）。可以向螞蟻學習的還有多重定位系統(tǒng)，既可以依賴衛(wèi)星定位，又可以順著自己留下的蹤跡，還可以利用數(shù)步子。這樣從幾公里的遠程到幾毫米的精確定位都能覆蓋。
在室內(nèi)端茶遞水，打掃衛(wèi)生的機器螞蟻可能會出現(xiàn)得更早些。室內(nèi)小機器人（比如自動吸塵器）的主要技術(shù)障礙之一就是不容易對床腿，桌椅沙發(fā)等障礙物精確定位。所以至今的所謂智能自動吸塵器仍然以隨機瞎跑為主，兼用一些簡單的避開障礙算法。用螞蟻數(shù)步子的辦法可以很容易做到毫米級的空間定位精度，實現(xiàn)很多需要三維空間精確定位的家務(wù)，比如把用過的碗筷茶杯送進洗碗機，把亂放的書籍雜志分類歸還書架等。
到了老人高齡生活不能自理的時候，最需要的是有人能24小時幫助翻身、伺候大小便，并在床和輪椅之間轉(zhuǎn)移老人。 像螞蟻這樣的多腿機器人最適合這類工作。用幾條腿支撐可以在狹小的空間保持穩(wěn)定，再用幾條“胳膊”把人抱起來調(diào)整姿勢。伺候過臥床老人的朋友都知道，用兩條胳膊抱起一個人是很困難的，最容易因局部用力過大造成瘀傷或拉傷。若把整個人的重量分攤在三對甚至六對“胳膊”上就容易多了。如果各個肢體可以自動調(diào)節(jié)分攤壓力，更能保證舒服。
多肢體協(xié)調(diào)是機器人技術(shù)上的大難題。一條胳膊（不包括手）有七維自由度，一只人手有高達27維的自由度。高維度的多肢體協(xié)調(diào)所需的計算量是驚人的，可能用最強的計算機計算好幾個小時還做不出一個動作?？墒窍裎浵佭@樣的昆蟲，靠著他們只有幾萬神經(jīng)細胞的小小神經(jīng)系統(tǒng)，為什么能實現(xiàn)又快又準的多肢體高維協(xié)調(diào)運動呢？
研究昆蟲的科學家早就找到答案了——局部問題局部解決。螞蟻的腦只管前進后退行進方向等宏觀的指令，而具體的運動協(xié)調(diào)，如三對肢體的步行、重量分攤、平衡等問題由胸部的神經(jīng)結(jié)來處理。這樣就能把計算量成幾何級數(shù)地削減。根據(jù)這個原理，現(xiàn)代的機器人多半用許多單片計算機處理各個關(guān)節(jié)和肢體的運動，而中央處理器則只做更高級的原則性指令。
螞蟻是在地球上進化了幾億年的生物，也許在人類毀滅了自己之后螞蟻還可以生存。樂觀地說，人類可以向像螞蟻學習，利用螞蟻的技術(shù)解決人類的問題，在工程上也是一個捷徑。
（二零一四年春于蓋瑟斯堡鎮(zhèn)）
參考文獻:
Shen et al., (1998), Anim. Behav. 55:1443.Direct homing behaviour in the ant Tetramorium caespitum (Formicidae,Myrmicinae)
Wittlinger et al., (2006) Science 312:1965. The Ant Odometer: Stepping on Stilts and Stumps.
