在狹小通道中也能保持交通順暢的螞蟻
對(duì)于中國各大城市的上班族，每天兩次的交通堵塞都不可避免。令科學(xué)家費(fèi)解的是，蟻群在覓食時(shí)，大量的螞蟻會(huì)處于搬食回巢和出去覓食的雙向流動(dòng)中，但它們卻不會(huì)發(fā)生擁堵。最近發(fā)表在elife上的一項(xiàng)研究，揭示了螞蟻不“堵車”的原因：不同于各懷心思的人類，螞蟻群有一個(gè)共同的目標(biāo)——為了群體的生存。
來源丨arestechnica等
編譯丨石云雷
編輯丨楊心舟
不會(huì)“塞車”的螞蟻
相對(duì)而言，螞蟻比人類擁有更多的群體行為，算得上是群體行為的典范物種。當(dāng)一些螞蟻被隔開時(shí)，它們是一個(gè)個(gè)單獨(dú)的個(gè)體。但它們聚在一起時(shí)，更像是一個(gè)單獨(dú)的整體在采取行動(dòng)。最近的十年內(nèi)，科學(xué)家也對(duì)螞蟻等多種昆蟲的群體行為進(jìn)行了大量研究。
2008年，德國科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室建立了一條微型的、相互交叉的螞蟻通道。螞蟻需要通過這些道路，在巢穴和一個(gè)有糖的食物源之間來回爬行。研究人員想以此來觀察，螞蟻會(huì)在多快的時(shí)間內(nèi)找到兩者之間最短的路徑。他們最初猜測(cè)螞蟻會(huì)和人群一樣，出現(xiàn)交通堵塞。然而結(jié)果卻和預(yù)測(cè)的截然不同，實(shí)際上一旦去覓食的螞蟻被搬運(yùn)食物返回巢穴的螞蟻?zhàn)钃鯐r(shí)，它們就會(huì)再去找一條新的替代路徑。
去年，美國佐治亞理工學(xué)院的物理學(xué)家Daniel Goldman研究了火蟻是如何優(yōu)化通道挖掘效率的。它們挖的通道其實(shí)十分狹小，只能剛好讓兩只火蟻同時(shí)通過，但卻很少發(fā)生擁堵現(xiàn)象。這是因?yàn)?，?dāng)一只火蟻進(jìn)入已有其他火蟻工作的通道時(shí)，它會(huì)再去尋找另一個(gè)通道。這保證了在任意時(shí)間內(nèi)，只有一部分的火蟻在挖通道。最終30%的火蟻完成了70%的挖掘工作量。
與人類的上下班高峰相比，大量的螞蟻覓食高峰時(shí)期的交通情況會(huì)更好，這一點(diǎn)仍然非常神秘。最近發(fā)表在eLife上的一項(xiàng)研究顯示，即使在很擁擠的條件下，螞蟻仍能維持通暢和高效流動(dòng)的原因在于，蟻群可以根據(jù)環(huán)境的改變，采取適當(dāng)?shù)男袨椤?/p>
自適應(yīng)保證交通
在最新的一項(xiàng)研究中，法國圖盧茲大學(xué)動(dòng)物認(rèn)知研究中心和美國亞利桑那大學(xué)的科學(xué)家，對(duì)阿根廷螞蟻（Linepithema humile）進(jìn)行了試驗(yàn)。研究中，他們利用橋梁將螞蟻群落與同一個(gè)食物源連接。另外，為了更好地調(diào)控蟻群的流通密度，他們給不同大小的蟻群（從400只到25600只的螞蟻）分別安排了不同橋面寬度的橋。然后，科學(xué)家進(jìn)行了170次試驗(yàn)，來監(jiān)測(cè)螞蟻的交通情況，并記錄螞蟻的交通流量（在單位時(shí)間內(nèi)覆蓋給定距離的螞蟻數(shù)量，q）、爬行速度（v）和螞蟻之間碰撞的次數(shù)（C）。
螞蟻試驗(yàn)?zāi)Ｐ?研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)螞蟻的數(shù)量占據(jù)橋面積的80%時(shí)，交通依舊能保持流暢和穩(wěn)定。而在我們?nèi)祟惖慕煌ㄖ?，?dāng)行人和汽車才占到道路面積的40%時(shí)，交通速度就開始變緩了。
那螞蟻不會(huì)出現(xiàn)交通擁堵的秘訣是什么呢？研究人員發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵在于螞蟻能對(duì)行為進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，當(dāng)螞蟻的數(shù)量增加、交通開始擁堵時(shí)，它們能根據(jù)環(huán)境的需要調(diào)整和適應(yīng)新的“交通規(guī)則”。
橋上的螞蟻密度增大時(shí)，螞蟻的移動(dòng)速度下降。
比如當(dāng)螞蟻進(jìn)入擁擠的道路時(shí)，它們能調(diào)節(jié)自己的行為，以保證橋上的螞蟻數(shù)量不會(huì)超過橋?qū)捤芴峁┑淖畲罅髁俊?/p>
螞蟻在橋上的交通流量，會(huì)隨著螞蟻的密度先增加，后趨于穩(wěn)定。
人類的交通情況主要會(huì)受到交通法規(guī)、行人或司機(jī)之間的交流（一般是因?yàn)槌霈F(xiàn)了冒犯行為）和負(fù)反饋行為（比如行人或汽車都想方設(shè)法往前擠）的調(diào)控。而在螞蟻的交通中，更多的是正反饋調(diào)節(jié)（比如跟隨和強(qiáng)化同伴走過的蹤跡）。螞蟻之間的交流會(huì)消耗一點(diǎn)時(shí)間，但對(duì)整個(gè)群體通常是有益的，因?yàn)檫@樣能夠促進(jìn)信息的傳遞。
螞蟻密度增加時(shí)，螞蟻間接觸的次數(shù)增多，也會(huì)使螞蟻花交通上的時(shí)間呈線性增加。
而螞蟻之間的交流與交通的動(dòng)態(tài)變化也密切相關(guān)。2015年發(fā)表的一項(xiàng)研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)火蟻之間交流時(shí)間相對(duì)較短，只有0.45秒，并且在火蟻達(dá)到一個(gè)數(shù)量閾值之前，它們都能保持交通流暢。
而在新研究發(fā)現(xiàn)，阿根廷螞蟻的交流時(shí)間大概要比火蟻快2倍。而更短的交流時(shí)間也意味著，在更大的交通流量范圍內(nèi)，這些螞蟻能更快地調(diào)節(jié)速度，依舊能保持交通的流暢。
集體高于個(gè)體的結(jié)果
當(dāng)然，螞蟻并不需要遵守人類社會(huì)中的交通規(guī)則，比如即使面前沒有任何汽車需要橫穿，汽車司機(jī)還是必須在一個(gè)紅燈前面停下?！霸谖覀兊纳鐣?huì)中，交通擁堵之所以普遍存在，是因?yàn)槊總€(gè)人都有自己的目的，”研究的作者說，“但蟻群中的螞蟻有一個(gè)共同的目標(biāo)，即群體的生存。因此它們需要團(tuán)結(jié)合作，保證搬回巢穴的食物最多。”
在搬運(yùn)食物時(shí)，它們維持的交通流暢性越好，它們?cè)侥軐⒏嗟氖澄镞\(yùn)回巢穴。除此之外，2008年發(fā)表的一項(xiàng)研究顯示，在個(gè)人利益和集體利益之間存在一個(gè)天生的矛盾點(diǎn)。正是由于每個(gè)人的目的不同，使我們?cè)诮煌ㄉ闲枰硗饣ㄙM(fèi)30%的時(shí)間。
研究者認(rèn)為這是“混亂的代價(jià)”。這也是就算擴(kuò)寬高速公路，也不會(huì)減少人類交通擁堵的一個(gè)原因。而能改善人類交通問題的方法，可能是封閉主路上的周圍一些岔路，因?yàn)檫@樣可以逼迫司機(jī)像螞蟻一樣，去發(fā)現(xiàn)另一條替代路徑。
目前，蟻群如何一直保持交通流暢的機(jī)制還是未知的。因?yàn)檫@種集群就像是許多粒子在相互作用的系統(tǒng)，因此通過研究蟻群中螞蟻間的合作，我們能獲得一些有用的原理，來幫助分子生物學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)和電子通訊等眾多領(lǐng)域的科學(xué)家。這些從蟻群中獲得的靈感，或許還能幫助我們給自動(dòng)汽車編程，讓他們像螞蟻一樣能調(diào)控行動(dòng)，提升交通運(yùn)轉(zhuǎn)效率。
