蚂蚁“漫步”是在“碰运气”吗？
2023-02-27
中国科学报
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你观察过蚂蚁觅食吗？很多人可能认为它们只是在盲目地到处乱找，现在科学家发现，岩蚁的觅食路线选择并非随机作出，而是系统性搜索和随机寻找结合的产物。相关研究近日发表于《交叉科学》。
“以前，该领域的研究人员认为，蚂蚁在寻找未知位置的目标时，纯粹是随机行走。”美国亚利桑那大学的Stefan Popp说，“但我们发现，岩蚁Temnothorax rugatulus在探索巢穴周围区域时，表现出了一种有规律的‘蜿蜒模式’。这意味着蚂蚁在相对规则的长度范围内，平稳地左右交替转弯。”
Popp和同事把这种行为称为“蜿蜒”，因为这让他们想起了蜿蜒的河流。更重要的是，研究人员发现，蚂蚁“蜿蜒”可能会使它们的搜索比纯粹的随机搜索更有效率。因为蜿蜒模式能让蚂蚁避免重走某些路线，这让它们基本不会在同一区域搜索两次。
因为在自然环境中很难跟踪蚂蚁，Popp团队把整个蚁群搬进了实验室。在那里，他们可以很容易地在恒定条件下自动跟踪所有蚂蚁。
研究人员很快就注意到蚂蚁“蜿蜒”走动的样子。那么，他们所看到的轨迹是随机的，还是一种系统的、非随机的方式？为了找到答案，研究人员将蚂蚁的轨迹与计算机模拟的随机行走模式进行了比较。
Popp说：“我们用一种简单的统计方法，检测了运动轨迹的规律性，以得到一个简单的答案。”研究人员发现，78%的蚂蚁在10毫米距离（约3个蚂蚁的长度）表现出显著的负自相关性。这意味着蚂蚁在一个方向上转弯之后，通常会在大致恒定的距离向相反方向转弯。这可能使蚂蚁的搜索更有效率，因为这样不用重复搜索相同的区域。
“有些足迹看起来像从一件衣服上拉出来的卷曲的线，有时又像弯弯曲曲的小径。”Popp说，“蚂蚁创造了一个类似的分形结构。这让我想起了数学中一些填充空间的曲线！”
研究人员表示，这项新研究首次在自由觅食的动物身上发现了通过有规律的漫步进行有效搜索的证据。它揭示了蚂蚁的一种复杂行为，表明还有很多事物需要进一步研究。
Popp说，他最感兴趣的是蚂蚁大脑中存在什么样的“规则”，才能允许如此复杂的搜索模式出现。他还指出，蚂蚁在进化过程中解决了集体搜索的问题，这种方式可能有助于设计自动搜索机器人或无人机，用于灾区或未开发地区的搜索。
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.105916
你观察过蚂蚁觅食吗？很多人可能认为它们只是在盲目地到处乱找，现在科学家发现，岩蚁的觅食路线选择并非随机作出，而是系统性搜索和随机寻找结合的产物。相关研究近日发表于《交叉科学》。 “以前，该领域的研究人员认为，蚂蚁在寻找未知位置的目标时，纯粹是随机行走。”美国亚利桑那大学的Stefan Popp说，“但我们发现，岩蚁Temnothorax rugatulus在探索巢穴周围区域时，表现出了一种有规律的‘蜿蜒模式’。这意味着蚂蚁在相对规则的长度范围内，平稳地左右交替转弯。” Popp和同事把这种行为称为“蜿蜒”，因为这让他们想起了蜿蜒的河流。更重要的是，研究人员发现，蚂蚁“蜿蜒”可能会使它们的搜索比纯粹的随机搜索更有效率。因为蜿蜒模式能让蚂蚁避免重走某些路线，这让它们基本不会在同一区域搜索两次。 因为在自然环境中很难跟踪蚂蚁，Popp团队把整个蚁群搬进了实验室。在那里，他们可以很容易地在恒定条件下自动跟踪所有蚂蚁。 研究人员很快就注意到蚂蚁“蜿蜒”走动的样子。那么，他们所看到的轨迹是随机的，还是一种系统的、非随机的方式？为了找到答案，研究人员将蚂蚁的轨迹与计算机模拟的随机行走模式进行了比较。 Popp说：“我们用一种简单的统计方法，检测了运动轨迹的规律性，以得到一个简单的答案。”研究人员发现，78%的蚂蚁在10毫米距离（约3个蚂蚁的长度）表现出显著的负自相关性。这意味着蚂蚁在一个方向上转弯之后，通常会在大致恒定的距离向相反方向转弯。这可能使蚂蚁的搜索更有效率，因为这样不用重复搜索相同的区域。 “有些足迹看起来像从一件衣服上拉出来的卷曲的线，有时又像弯弯曲曲的小径。”Popp说，“蚂蚁创造了一个类似的分形结构。这让我想起了数学中一些填充空间的曲线！” 研究人员表示，这项新研究首次在自由觅食的动物身上发现了通过有规律的漫步进行有效搜索的证据。它揭示了蚂蚁的一种复杂行为，表明还有很多事物需要进一步研究。 Popp说，他最感兴趣的是蚂蚁大脑中存在什么样的“规则”，才能允许如此复杂的搜索模式出现。他还指出，蚂蚁在进化过程中解决了集体搜索的问题，这种方式可能有助于设计自动搜索机器人或无人机，用于灾区或未开发地区的搜索。 相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.105916
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责任编辑：梁春雨
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