人類在這一點上竟比不過螞蟻,原因是我們太過自私
2019年11月23日10:01
在狹小通道中也能保持交通順暢的螞蟻
在狹小通道中也能保持交通順暢的螞蟻

  對於中國各大城市的上班族,每天兩次的交通堵塞都不可避免。令科學家費解的是,蟻群在覓食時,大量的螞蟻會處於搬食回巢和出去覓食的雙向流動中,但它們卻不會發生擁堵。最近發表在elife上的一項研究,揭示了螞蟻不“堵車”的原因:不同於各懷心思的人類,螞蟻群有一個共同的目標——為了群體的生存。

  來源丨arestechnica等

  編譯丨石雲雷

  編輯丨楊心舟

  不會“塞車”的螞蟻

  相對而言,螞蟻比人類擁有更多的群體行為,算得上是群體行為的典範物種。當一些螞蟻被隔開時,它們是一個個單獨的個體。但它們聚在一起時,更像是一個單獨的整體在採取行動。最近的十年內,科學家也對螞蟻等多種昆蟲的群體行為進行了大量研究。

  2008年,德國科學家在實驗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,螞蟻會在多快的時間內找到兩者之間最短的路徑。他們最初猜測螞蟻會和人群一樣,出現交通堵塞。然而結果卻和預測的截然不同,實際上一旦去覓食的螞蟻被搬運食物返回巢穴的螞蟻阻擋時,它們就會再去找一條新的替代路徑。

  去年,美國佐治亞理工學院的物理學家Daniel Goldman研究了火蟻是如何優化通道挖掘效率的。它們挖的通道其實十分狹小,只能剛好讓兩隻火蟻同時通過,但卻很少發生擁堵現象。這是因為,當一隻火蟻進入已有其他火蟻工作的通道時,它會再去尋找另一個通道。這保證了在任意時間內,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期的交通情況會更好,這一點仍然非常神秘。最近發表在eLife上的一項研究顯示,即使在很擁擠的條件下,螞蟻仍能維持通暢和高效流動的原因在於,蟻群可以根據環境的改變,採取適當的行為。

  自適應保證交通

  在最新的一項研究中,法國圖盧茲大學動物認知研究中心和美國亞利桑那大學的科學家,對阿根廷螞蟻(Linepithema humile)進行了試驗。研究中,他們利用橋樑將螞蟻群落與同一個食物源連接。另外,為了更好地調控蟻群的流通密度,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。然後,科學家進行了170次試驗,來監測螞蟻的交通情況,並記錄螞蟻的交通流量(在單位時間內覆蓋給定距離的螞蟻數量,q)、爬行速度(v)和螞蟻之間碰撞的次數(C)。

螞蟻試驗模型
螞蟻試驗模型

  研究人員發現,當螞蟻的數量佔據橋面積的80%時,交通依舊能保持流暢和穩定。而在我們人類的交通中,當行人和汽車才占到道路面積的40%時,交通速度就開始變緩了。

  那螞蟻不會出現交通擁堵的秘訣是什麼呢?研究人員發現,關鍵在於螞蟻能對行為進行自我調節,當螞蟻的數量增加、交通開始擁堵時,它們能根據環境的需要調整和適應新的“交通規則”。

橋上的螞蟻密度增大時,螞蟻的移動速度下降。
橋上的螞蟻密度增大時,螞蟻的移動速度下降。

  比如當螞蟻進入擁擠的道路時,它們能調節自己的行為,以保證橋上的螞蟻數量不會超過橋寬所能提供的最大流量。

螞蟻在橋上的交通流量,會隨著螞蟻的密度先增加,後趨於穩定。
螞蟻在橋上的交通流量,會隨著螞蟻的密度先增加,後趨於穩定。

  人類的交通情況主要會受到交通法規、行人或司機之間的交流(一般是因為出現了冒犯行為)和負反饋行為(比如行人或汽車都想方設法往前擠)的調控。而在螞蟻的交通中,更多的是正反饋調節(比如跟隨和強化同伴走過的蹤跡)。螞蟻之間的交流會消耗一點時間,但對整個群體通常是有益的,因為這樣能夠促進信息的傳遞。

螞蟻密度增加時,螞蟻間接觸的次數增多,也會使螞蟻花交通上的時間呈線性增加。
螞蟻密度增加時,螞蟻間接觸的次數增多,也會使螞蟻花交通上的時間呈線性增加。

  而螞蟻之間的交流與交通的動態變化也密切相關。2015年發表的一項研究中,科學家發現火蟻之間交流時間相對較短,只有0.45秒,並且在火蟻達到一個數量閾值之前,它們都能保持交通流暢。

  而在新研究發現,阿根廷螞蟻的交流時間大概要比火蟻快2倍。而更短的交流時間也意味著,在更大的交通流量範圍內,這些螞蟻能更快地調節速度,依舊能保持交通的流暢。

  集體高於個體的結果

  當然,螞蟻並不需要遵守人類社會中的交通規則,比如即使面前沒有任何汽車需要橫穿,汽車司機還是必須在一個紅燈前面停下。“在我們的社會中,交通擁堵之所以普遍存在,是因為每個人都有自己的目的,”研究的作者說,“但蟻群中的螞蟻有一個共同的目標,即群體的生存。因此它們需要團結合作,保證搬回巢穴的食物最多。”

  在搬運食物時,它們維持的交通流暢性越好,它們越能將更多的食物運回巢穴。除此之外,2008年發表的一項研究顯示,在個人利益和集體利益之間存在一個天生的矛盾點。正是由於每個人的目的不同,使我們在交通上需要另外花費30%的時間。

  研究者認為這是“混亂的代價”。這也是就算擴寬高速公路,也不會減少人類交通擁堵的一個原因。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,因為這樣可以逼迫司機像螞蟻一樣,去發現另一條替代路徑。

  目前,蟻群如何一直保持交通流暢的機製還是未知的。因為這種集群就像是許多粒子在相互作用的系統,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、統計物理學和電子通訊等眾多領域的科學家。這些從蟻群中獲得的靈感,或許還能幫助我們給自動汽車編程,讓他們像螞蟻一樣能調控行動,提升交通運轉效率。

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