螞蟻找路的故事 | 舊識(shí)新知
導(dǎo)語(yǔ)：
自然界的奇妙體現(xiàn)于高度聰明的系統(tǒng)可以從完全“無(wú)智”的環(huán)境中發(fā)展出來(lái)，而一些重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)也往往來(lái)自地位低下，經(jīng)費(fèi)條件不好的科學(xué)家。作者用螞蟻找路的故事來(lái)說(shuō)明這個(gè)道理。
撰文 | 吳建永（美國(guó)喬治城大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)教授）
責(zé)編 | 鄧志英
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找路對(duì)螞蟻很重要。它們那么小，一個(gè)小花園那么大地方就是它們的半個(gè)世界了。螞蟻的食物一般是隨機(jī)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(gè)一個(gè)固定的地方。所以螞蟻出去尋食的時(shí)候總是一大群工蟻出窩，漫無(wú)目的地隨機(jī)尋找，而當(dāng)某一個(gè)螞蟻找到食物，就馬上回窩報(bào)告，其他螞蟻就會(huì)隨之而來(lái)，排成隊(duì)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(duì)螞蟻的生存很重要，如果尋食不能盡可能覆蓋整個(gè)區(qū)域，回窩不會(huì)走最短路徑，螞蟻就很難在嚴(yán)酷的自然條件下活到今天。
研究螞蟻的科學(xué)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(dòng)物，可是在他七歲的時(shí)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(dòng)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(shí)候就開始在他家附近的石溪公園采集昆蟲標(biāo)本。這個(gè)公園在美國(guó)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(dāng)一名昆蟲學(xué)家?？墒窃诋?dāng)時(shí)第二次世界大戰(zhàn)的時(shí)候買不到固定昆蟲標(biāo)本用的昆蟲針。于是他只好轉(zhuǎn)向收集螞蟻。因?yàn)槲浵仒?biāo)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(xué)的博士學(xué)位，論文就是研究一種螞蟻的形態(tài)。不久后他開始對(duì)螞蟻找路的原理產(chǎn)生興趣。一群螞蟻究竟是靠什么來(lái)跟著找到食物的螞蟻呢？
大多科學(xué)發(fā)現(xiàn)來(lái)自于清晰的思路和仔細(xì)的觀察。Wilson靠著從小建立的強(qiáng)烈興趣，以過(guò)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(lái)找路的。第一只找到食物的螞蟻會(huì)在回窩的路上留下一些氣味，后來(lái)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(guò)觀察產(chǎn)生的“想法”在科學(xué)上叫作“假說(shuō)”（hypothesis）?？茖W(xué)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程就是通過(guò)觀察和直覺提出一個(gè)個(gè)假說(shuō)，并用實(shí)驗(yàn)方法把一個(gè)個(gè)假說(shuō)證實(shí)或否定。如果想證實(shí)螞蟻是通過(guò)氣味來(lái)找路的，就首先要證實(shí)：
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(lái)吸引螞蟻。
2.把這種氣味畫在路上可以引導(dǎo)螞蟻，而并不需要前面真的走過(guò)一只找到食物的螞蟻。
有了清晰的思路，實(shí)驗(yàn)就可能非常簡(jiǎn)單，為了證明螞蟻能產(chǎn)生引導(dǎo)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(xì)毛筆粘了一點(diǎn)精油，在螞蟻經(jīng)過(guò)的路徑上畫了一個(gè)岔路，果然能引導(dǎo)后來(lái)的一大群螞蟻?zhàn)叩讲砺飞先?。這就初步證明了螞蟻確實(shí)是靠螞蟻本身產(chǎn)生的氣味來(lái)引導(dǎo)的。
然后他想知道在螞蟻身體中究竟是哪個(gè)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(wèn)題了。而他最有效的“儀器”是雜貨店里五分錢買來(lái)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(qiáng)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(gè)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(guó)科學(xué)家杜佛（Jean-MarieLéon Dufour 1780-1865）于1841年發(fā)現(xiàn)的。這種腺體在所有細(xì)腰亞目（Apocrita）昆蟲里都有。原來(lái)認(rèn)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(gè)腺體來(lái)產(chǎn)生找路的氣味。1962年，Wilson終于用堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)證明巴西紅蟻是利用氣味來(lái)找路的。
這種氣味被歸屬為在一個(gè)動(dòng)物種群中個(gè)體與個(gè)體互相通訊的化學(xué)物質(zhì)，有個(gè)特殊的名字叫“費(fèi)洛蒙”（pheromone）。費(fèi)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(fèi)洛蒙譯成“外激素”，因?yàn)榧に厥莿?dòng)物體內(nèi)分泌并影響本身其他器官的物質(zhì)，而費(fèi)洛蒙則是種群中一個(gè)個(gè)體分泌影響群體中其他個(gè)體的物質(zhì)。
費(fèi)洛蒙在動(dòng)物個(gè)體之間互動(dòng)的過(guò)程中有極大作用，求偶有“性費(fèi)洛蒙”， 打群架有“警告”和“攻擊”費(fèi)洛蒙。費(fèi)洛蒙是個(gè)大的研究領(lǐng)域，除了涉及種群內(nèi)個(gè)體交流，近年來(lái)更有集體智慧 （Swarm Intelligence, 就是一大群昆蟲合起來(lái)產(chǎn)生高度智能）， 以及為了集團(tuán)利益犧牲個(gè)體的利他行為等的研究。人類社會(huì)和螞蟻社會(huì)有類似的等級(jí)結(jié)構(gòu)，群體行為和利他行為。所以Wilson后來(lái)最出名的工作是利用研究螞蟻來(lái)研究人類的社會(huì)行為。
人類雖然主要用語(yǔ)言交流， 但費(fèi)洛蒙也可能通過(guò)影響人的本能來(lái)左右意識(shí)決定。據(jù)說(shuō)在男找女、女找男的過(guò)程中，費(fèi)洛蒙也起了很大作用，尤其是在一見鐘情的速配過(guò)程中。很多無(wú)良商家多少年來(lái)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(yùn)。
雖然Wilson發(fā)現(xiàn)了帶領(lǐng)螞蟻回家的化學(xué)信使，但卻并沒發(fā)現(xiàn)螞蟻怎樣找直路回家的原理。 科學(xué)總是這樣，一個(gè)發(fā)現(xiàn)總會(huì)帶來(lái)更多、更復(fù)雜的問(wèn)題。在螞蟻找路的問(wèn)題上也是這樣。
由于螞蟻的食物是在外面隨機(jī)分布的，而螞蟻出窩時(shí)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(shí)奇跡發(fā)生了！背著食物的螞蟻會(huì)走直路回家！！而非重復(fù)巡食時(shí)候走的那些曲曲彎彎的道路。Wilson發(fā)現(xiàn)的循跡費(fèi)洛蒙就是在直接回家的路上留下的。
可以說(shuō)，螞蟻必須有這種超人的本領(lǐng)才能在嚴(yán)酷的環(huán)境中活下來(lái)。如果不會(huì)直接回窩，而是背著食物重復(fù)尋食時(shí)的道路，就會(huì)消耗自己的能量，考慮后面大群跟隨循跡費(fèi)洛蒙的螞蟻，這種浪費(fèi)就更驚人了。所以每個(gè)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(tuán)，Wilson和很多專家都進(jìn)行了研究但并沒有搞清楚。有個(gè)世界級(jí)的螞蟻權(quán)威說(shuō)螞蟻會(huì)看天光，是根據(jù)太陽(yáng)偏振光的方向辨明家的方向和地點(diǎn)的。這個(gè)論點(diǎn)在業(yè)內(nèi)被基本上接受，可細(xì)想起來(lái)靠偏振光找路的理論還是有很多疑點(diǎn)的。
時(shí)間到了1990年代，中國(guó)已經(jīng)改革開放。但當(dāng)時(shí)國(guó)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(xué)和研究機(jī)構(gòu)。而許多普通研究人員則是在缺乏經(jīng)費(fèi)、缺乏助手環(huán)境下自生自滅。中科院的沈鈞賢老師當(dāng)時(shí)即沒錢又沒學(xué)生, 眼睜睜看著自己研究的黃金年齡逐漸消逝。為了找點(diǎn)事做，他就鼓搗起了螞蟻找路這個(gè)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(fèi)，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?cè)谠鹤永镉盟芰习宕钇饹雠锔淖兤窆鈼l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(gè)木板平移或旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。這樣雖然天上的光沒變但地上的路變了，螞蟻這時(shí)就出了錯(cuò)，錯(cuò)誤的方向和距離與旋轉(zhuǎn)或平移造成的錯(cuò)誤一模一樣。這樣就基本否定了靠偏振光認(rèn)路的理論。
?螞蟻找食和回窩的路徑。每個(gè)小圓圈標(biāo)注10秒時(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)的方法可謂經(jīng)典。為了否定偏振光引路這個(gè)假說(shuō)，必須用兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：
1. 改變偏振光的角度，而對(duì)螞蟻找路沒有影響。
2.改變其他條件而不改變偏振光，卻對(duì)螞蟻找路產(chǎn)生了明顯影響。
有了這正反兩個(gè)方面的證明，結(jié)果才能說(shuō)服大多數(shù)同行。
否定了偏振光引路理論，這絕對(duì)是個(gè)“世界先進(jìn)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(gè)專業(yè)的昆蟲學(xué)雜志上了，并拒絕了“頂級(jí)雜志”。這被傳為“極少數(shù)牛人才有的自信” 。其實(shí)是因?yàn)楫?dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)科學(xué)界還沒有那么膜拜頂級(jí)雜志，沈老師雖然知道這個(gè)發(fā)現(xiàn)的意義，但也沒精力和那些頂級(jí)雜志折騰，就順手投到一個(gè)專業(yè)昆蟲學(xué)雜志上了。
沒想到審稿的正是那位世界級(jí)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(shí)驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)，文章寫得無(wú)懈可擊，世界級(jí)權(quán)威立即就建議雜志接受了。戲劇性的是Science雜志聽說(shuō)后，居然立刻給沈鈞賢打電話，詳細(xì)地詢問(wèn)了實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)，并以科學(xué)新聞的形式和那本昆蟲學(xué)雜志同時(shí)發(fā)表了消息。做科研做到讓頂級(jí)雜志主動(dòng)打電話詢問(wèn)結(jié)果，這個(gè)比較少見吧？
可是推翻了偏振光理論，那螞蟻到底靠什么來(lái)找路呢?
2006年，在頂級(jí)雜志Science上，前面提到的世界級(jí)螞蟻權(quán)威發(fā)了一篇叫“ant odometer”（螞蟻計(jì)步器）的文章，說(shuō)螞蟻竟然是靠數(shù)自己的步子來(lái)定位的。用左右兩邊的步長(zhǎng)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(gè)理論上聽著很神奇，實(shí)際上類似的理論，“path integration”（就是對(duì)路徑進(jìn)行積分）早已有了。但理論不算數(shù)，要在實(shí)驗(yàn)上得到驗(yàn)證才能算數(shù)。比如我們可以用錄像機(jī)精確地紀(jì)錄出螞蟻的步數(shù)和步長(zhǎng)，然后再精確地劃出行徑，算出窩的位置。
可是怎樣用實(shí)驗(yàn)證明，螞蟻就是靠數(shù)步子，而非靠著其他機(jī)制呢? 答案不是來(lái)自高級(jí)儀器，而是清晰思路和小聰明。
說(shuō)來(lái)十分簡(jiǎn)單，如果螞蟻確實(shí)是靠數(shù)步子來(lái)記路，那么把它的步長(zhǎng)改變，就一定會(huì)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(lái)就使想象中窩的距離比實(shí)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(shí)際更近。
?加長(zhǎng)和減短螞蟻腿的實(shí)驗(yàn)，采自 Wittlinger et al。，(2006) Science 312: 1965。的圖二
這簡(jiǎn)直是中學(xué)生都能做的實(shí)驗(yàn)！ 確實(shí)，有時(shí)重大發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)就是這么簡(jiǎn)單。 比如沈鈞賢的實(shí)驗(yàn)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(xué)發(fā)現(xiàn)中最重要的元素還是想象、提出假說(shuō)和驗(yàn)證假說(shuō)。這點(diǎn)和藝術(shù)家差不多。
在美國(guó)，管科研經(jīng)費(fèi)的國(guó)會(huì)議員經(jīng)常會(huì)問(wèn)，科學(xué)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(huì)問(wèn)題嗎？科學(xué)家在這個(gè)問(wèn)題上一點(diǎn)不能含糊，一句答不上經(jīng)費(fèi)就砍了。老齡化是世界性的問(wèn)題，不管是歐美先富后老還是中國(guó)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(huì)中全世界的勞動(dòng)力都去當(dāng)護(hù)工也許還不夠。而也許研究螞蟻可以幫助人類走出這個(gè)惡夢(mèng)。
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(shí)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(huì)精確定位，能自動(dòng)找回家的機(jī)器螞蟻很可能承擔(dān)起這個(gè)任務(wù)。六條腿的機(jī)器螞蟻可以垂直爬樓房，不會(huì)跌倒，可以自動(dòng)躲避汽車，不容易被賊設(shè)陷阱打劫（跑得比人快）?？梢韵蛭浵亴W(xué)習(xí)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(yuǎn)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(jī)器螞蟻可能會(huì)出現(xiàn)得更早些。室內(nèi)小機(jī)器人（比如自動(dòng)吸塵器）的主要技術(shù)障礙之一就是不容易對(duì)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(dòng)吸塵器仍然以隨機(jī)瞎跑為主，兼用一些簡(jiǎn)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(jí)的空間定位精度，實(shí)現(xiàn)很多需要三維空間精確定位的家務(wù)，比如把用過(guò)的碗筷茶杯送進(jìn)洗碗機(jī)，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(shí)候，最需要的是有人能24小時(shí)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(jī)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(lái)調(diào)整姿勢(shì)。伺候過(guò)臥床老人的朋友都知道，用兩條胳膊抱起一個(gè)人是很困難的，最容易因局部用力過(guò)大造成瘀傷或拉傷。若把整個(gè)人的重量分?jǐn)傇谌龑?duì)甚至六對(duì)“胳膊”上就容易多了。如果各個(gè)肢體可以自動(dòng)調(diào)節(jié)分?jǐn)倝毫?，更能保證舒服。
多肢體協(xié)調(diào)是機(jī)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(dá)27維的自由度。高維度的多肢體協(xié)調(diào)所需的計(jì)算量是驚人的，可能用最強(qiáng)的計(jì)算機(jī)計(jì)算好幾個(gè)小時(shí)還做不出一個(gè)動(dòng)作?？墒窍裎浵佭@樣的昆蟲，靠著他們只有幾萬(wàn)神經(jīng)細(xì)胞的小小神經(jīng)系統(tǒng)，為什么能實(shí)現(xiàn)又快又準(zhǔn)的多肢體高維協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)呢？
研究昆蟲的科學(xué)家早就找到答案了——局部問(wèn)題局部解決。螞蟻的腦只管前進(jìn)后退行進(jìn)方向等宏觀的指令，而具體的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，如三對(duì)肢體的步行、重量分?jǐn)?、平衡等?wèn)題由胸部的神經(jīng)結(jié)來(lái)處理。這樣就能把計(jì)算量成幾何級(jí)數(shù)地削減。根據(jù)這個(gè)原理，現(xiàn)代的機(jī)器人多半用許多單片計(jì)算機(jī)處理各個(gè)關(guān)節(jié)和肢體的運(yùn)動(dòng)，而中央處理器則只做更高級(jí)的原則性指令。
螞蟻是在地球上進(jìn)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(lè)觀地說(shuō)，人類可以向像螞蟻學(xué)習(xí)，利用螞蟻的技術(shù)解決人類的問(wèn)題，在工程上也是一個(gè)捷徑。
（二零一四年春于蓋瑟斯堡鎮(zhèn)）
參考文獻(xiàn):
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.
