蚂蚁找路的故事 | 旧识新知
导语：
自然界的奇妙体现于高度聪明的系统可以从完全“无智”的环境中发展出来，而一些重要的科学发现也往往来自地位低下，经费条件不好的科学家。作者用蚂蚁找路的故事来说明这个道理。
撰文 | 吴建永（美国乔治城大学医学院神经科学教授）
责编 | 邓志英
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找路对蚂蚁很重要。它们那么小，一个小花园那么大地方就是它们的半个世界了。蚂蚁的食物一般是随机地散布在不同的地方，这里有几粒种子，那边有几滴花蜜，没个一个固定的地方。所以蚂蚁出去寻食的时候总是一大群工蚁出窝，漫无目的地随机寻找，而当某一个蚂蚁找到食物，就马上回窝报告，其他蚂蚁就会随之而来，排成队沿着最近的路径把食物搬回窝里。这种高效率的找路方式对蚂蚁的生存很重要，如果寻食不能尽可能覆盖整个区域，回窝不会走最短路径，蚂蚁就很难在严酷的自然条件下活到今天。
研究蚂蚁的科学家里有位世界闻名的“E. O. Wilson”。他生于1929年，从小喜欢自然，喜欢观察动物，可是在他七岁的时候钓鱼弄伤了右眼，失去了视觉。
少了一只眼为他在野外观察动物增加了很多困难，所以他就转向观察昆虫。他的左眼有非常好的视力，能看到小虫子腿上的毛毛。他九岁的时候就开始在他家附近的石溪公园采集昆虫标本。这个公园在美国首都华盛顿的西北，有延绵二十几公里的峡谷和小溪。
年轻的Wilson想要当一名昆虫学家。可是在当时第二次世界大战的时候买不到固定昆虫标本用的昆虫针。于是他只好转向收集蚂蚁。因为蚂蚁标本可以不用昆虫针，一堆一堆装在小瓶子里保存。1955年，他得到哈佛大学的博士学位，论文就是研究一种蚂蚁的形态。不久后他开始对蚂蚁找路的原理产生兴趣。一群蚂蚁究竟是靠什么来跟着找到食物的蚂蚁呢？
大多科学发现来自于清晰的思路和仔细的观察。Wilson靠着从小建立的强烈兴趣，以过人的耐心在巴西热带雨林里忍受着极端困苦观察一种巴西火蚁（Solenopsis saevissima，是火蚁的一种）。慢慢地他有了一些想法：蚂蚁是依靠气味来找路的。第一只找到食物的蚂蚁会在回窝的路上留下一些气味，后来的蚂蚁就顺着气味找到食物，再顺着气味回到窝里。
这种通过观察产生的“想法”在科学上叫作“假说”（hypothesis）。科学发现的过程就是通过观察和直觉提出一个个假说，并用实验方法把一个个假说证实或否定。如果想证实蚂蚁是通过气味来找路的，就首先要证实：
1.这种气味必须是蚂蚁产生的，而不是像蜜糖那样的食物气味来吸引蚂蚁。
2.把这种气味画在路上可以引导蚂蚁，而并不需要前面真的走过一只找到食物的蚂蚁。
有了清晰的思路，实验就可能非常简单，为了证明蚂蚁能产生引导其他蚂蚁的气味，Wilson收集了几百只蚂蚁，晾干碾碎后放在酒精里浸泡，然后让酒精逐渐蒸发，留下一小滴“精油”。他用细毛笔粘了一点精油，在蚂蚁经过的路径上画了一个岔路，果然能引导后来的一大群蚂蚁走到岔路上去。这就初步证明了蚂蚁确实是靠蚂蚁本身产生的气味来引导的。
然后他想知道在蚂蚁身体中究竟是哪个器官产生这种引路的气味。这就不是在精密仪器上按电钮能解决的问题了。而他最有效的“仪器”是杂货店里五分钱买来的小刀。他把晾干的蚂蚁切成很多部分，几百只蚂蚁，头部，腿，胸，尾巴等各堆成一小堆。然后分别用酒精浸泡提取，结果发现只有从尾部提取出的物质有强大的吸引作用，而身体其他部分则没用。
他为自己的发现大为兴奋，下一步就是再收集几百只蚂蚁，解剖它们的尾部，把里面的肠子，腺体等一一分开提取。最后发现气味是由尾部一个小小的腺体，杜佛氏腺体（Dufour’s gland）产生的。
杜佛氏腺体是法国科学家杜佛（Jean-MarieLéon Dufour 1780-1865）于1841年发现的。这种腺体在所有细腰亚目（Apocrita）昆虫里都有。原来认为杜佛氏腺体的功能只是帮助产卵和注射叮人的毒液，Wilson发现工蚁利用这个腺体来产生找路的气味。1962年，Wilson终于用坚实的实验证据证明巴西红蚁是利用气味来找路的。
这种气味被归属为在一个动物种群中个体与个体互相通讯的化学物质，有个特殊的名字叫“费洛蒙”（pheromone）。费洛蒙于1959年被定名，取希腊文中“隔空”和“激素”两字的意思。中文也常把费洛蒙译成“外激素”，因为激素是动物体内分泌并影响本身其他器官的物质，而费洛蒙则是种群中一个个体分泌影响群体中其他个体的物质。
费洛蒙在动物个体之间互动的过程中有极大作用，求偶有“性费洛蒙”， 打群架有“警告”和“攻击”费洛蒙。费洛蒙是个大的研究领域，除了涉及种群内个体交流，近年来更有集体智慧 （Swarm Intelligence, 就是一大群昆虫合起来产生高度智能）， 以及为了集团利益牺牲个体的利他行为等的研究。人类社会和蚂蚁社会有类似的等级结构，群体行为和利他行为。所以Wilson后来最出名的工作是利用研究蚂蚁来研究人类的社会行为。
人类虽然主要用语言交流， 但费洛蒙也可能通过影响人的本能来左右意识决定。据说在男找女、女找男的过程中，费洛蒙也起了很大作用，尤其是在一见钟情的速配过程中。很多无良商家多少年来就想造出这种香水，除了用于猎艳，也可能瞬间决定几亿的商业合同的命运。
虽然Wilson发现了带领蚂蚁回家的化学信使，但却并没发现蚂蚁怎样找直路回家的原理。 科学总是这样，一个发现总会带来更多、更复杂的问题。在蚂蚁找路的问题上也是这样。
由于蚂蚁的食物是在外面随机分布的，而蚂蚁出窝时并不知道食物的方位。所以蚂蚁找食只能随处乱转，轨迹就像没头苍蝇一样到处画圈， 直到找到了一块食物。这时奇迹发生了！背着食物的蚂蚁会走直路回家！！而非重复巡食时候走的那些曲曲弯弯的道路。Wilson发现的循迹费洛蒙就是在直接回家的路上留下的。
可以说，蚂蚁必须有这种超人的本领才能在严酷的环境中活下来。如果不会直接回窝，而是背着食物重复寻食时的道路，就会消耗自己的能量，考虑后面大群跟随循迹费洛蒙的蚂蚁，这种浪费就更惊人了。所以每个工蚁都必须是曲线巡食、捷径回家的高手。为了破解蚂蚁捷径回家的谜团，Wilson和很多专家都进行了研究但并没有搞清楚。有个世界级的蚂蚁权威说蚂蚁会看天光，是根据太阳偏振光的方向辨明家的方向和地点的。这个论点在业内被基本上接受，可细想起来靠偏振光找路的理论还是有很多疑点的。
时间到了1990年代，中国已经改革开放。但当时国内的路子主要是忙着建大中心、买大仪器、打造“世界一流”的大学和研究机构。而许多普通研究人员则是在缺乏经费、缺乏助手环境下自生自灭。中科院的沈钧贤老师当时即没钱又没学生, 眼睁睁看着自己研究的黄金年龄逐渐消逝。为了找点事做，他就鼓捣起了蚂蚁找路这个世界难题.
►中科院生物物理所的沈钧贤老师
虽然没有经费，但蚂蚁在研究所院子里到处有。 吸引蚂蚁可以用油条渣子。没有助手，就开夫妻店。他们在院子里用塑料板搭起凉棚改变偏振光条件，发现蚂蚁照样直线回窝。
然后把食物放在一块木板上让蚂蚁找到食物后再让整个木板平移或旋转一个角度。这样虽然天上的光没变但地上的路变了，蚂蚁这时就出了错，错误的方向和距离与旋转或平移造成的错误一模一样。这样就基本否定了靠偏振光认路的理论。
►蚂蚁找食和回窝的路径。每个小圆圈标注10秒时间。采自沈钧贤文章的图二(Shen et al。，(1998)，Anim。Behav。55:1443。) 可以看出，蚂蚁找食的路径（红色实线）很曲折且走得很慢，而回窝的路径（黑色虚线）很直且走得快。
沈老师蚂蚁实验的方法可谓经典。为了否定偏振光引路这个假说，必须用两个实验：
1. 改变偏振光的角度，而对蚂蚁找路没有影响。
2.改变其他条件而不改变偏振光，却对蚂蚁找路产生了明显影响。
有了这正反两个方面的证明，结果才能说服大多数同行。
否定了偏振光引路理论，这绝对是个“世界先进水平”的大发现。但沈老师却平常心看待，把文章投到一个专业的昆虫学杂志上了，并拒绝了“顶级杂志”。这被传为“极少数牛人才有的自信” 。其实是因为当时国内科学界还没有那么膜拜顶级杂志，沈老师虽然知道这个发现的意义，但也没精力和那些顶级杂志折腾，就顺手投到一个专业昆虫学杂志上了。
没想到审稿的正是那位世界级的蚂蚁权威，虽然沈的文章推翻了他的权威理论，但由于沈的实验严谨，文章写得无懈可击，世界级权威立即就建议杂志接受了。戏剧性的是Science杂志听说后，居然立刻给沈钧贤打电话，详细地询问了实验的细节，并以科学新闻的形式和那本昆虫学杂志同时发表了消息。做科研做到让顶级杂志主动打电话询问结果，这个比较少见吧？
可是推翻了偏振光理论，那蚂蚁到底靠什么来找路呢?
2006年，在顶级杂志Science上，前面提到的世界级蚂蚁权威发了一篇叫“ant odometer”（蚂蚁计步器）的文章，说蚂蚁竟然是靠数自己的步子来定位的。用左右两边的步长乘以每段路径的步数，就可以完全重现出蚂蚁的路径，并以此反推蚂蚁窝的方向。知道了方向，直线走回窝就完全可能了。
这个理论上听着很神奇，实际上类似的理论，“path integration”（就是对路径进行积分）早已有了。但理论不算数，要在实验上得到验证才能算数。比如我们可以用录像机精确地纪录出蚂蚁的步数和步长，然后再精确地划出行径，算出窝的位置。
可是怎样用实验证明，蚂蚁就是靠数步子，而非靠着其他机制呢? 答案不是来自高级仪器，而是清晰思路和小聪明。
说来十分简单，如果蚂蚁确实是靠数步子来记路，那么把它的步长改变，就一定会产生误差。比如把它的腿剪短一些，那么每一步就小些，最后积累起来就使想象中窝的距离比实际距离近。相反如果把蚂蚁腿粘上一截小棍，每一步就大些，使想象中的距离比实际更近。
►加长和减短蚂蚁腿的实验，采自 Wittlinger et al。，(2006) Science 312: 1965。的图二
这简直是中学生都能做的实验！ 确实，有时重大发现的关键实验就是这么简单。 比如沈钧贤的实验就没用录像设备，用手在纸上画的图也就接受了（见图“蚂蚁找食和回窝的路径”）。科学发现中最重要的元素还是想象、提出假说和验证假说。这点和艺术家差不多。
在美国，管科研经费的国会议员经常会问，科学家研究蚂蚁有什么用？能解决住房、医保、老龄化等大规模社会问题吗？科学家在这个问题上一点不能含糊，一句答不上经费就砍了。老龄化是世界性的问题，不管是欧美先富后老还是中国未富先老，老了总要有人照顾。依靠今天的技术，在老龄化社会中全世界的劳动力都去当护工也许还不够。而也许研究蚂蚁可以帮助人类走出这个恶梦。
家里有老人的朋友都知道，早期老人思想清楚、生活能自理的时候，最需要的是有人帮着打扫卫生、端汤送饭、跑腿买菜取药等。会精确定位，能自动找回家的机器蚂蚁很可能承担起这个任务。六条腿的机器蚂蚁可以垂直爬楼房，不会跌倒，可以自动躲避汽车，不容易被贼设陷阱打劫（跑得比人快）。可以向蚂蚁学习的还有多重定位系统，既可以依赖卫星定位，又可以顺着自己留下的踪迹，还可以利用数步子。这样从几公里的远程到几毫米的精确定位都能覆盖。
在室内端茶递水，打扫卫生的机器蚂蚁可能会出现得更早些。室内小机器人（比如自动吸尘器）的主要技术障碍之一就是不容易对床腿，桌椅沙发等障碍物精确定位。所以至今的所谓智能自动吸尘器仍然以随机瞎跑为主，兼用一些简单的避开障碍算法。用蚂蚁数步子的办法可以很容易做到毫米级的空间定位精度，实现很多需要三维空间精确定位的家务，比如把用过的碗筷茶杯送进洗碗机，把乱放的书籍杂志分类归还书架等。
到了老人高龄生活不能自理的时候，最需要的是有人能24小时帮助翻身、伺候大小便，并在床和轮椅之间转移老人。 像蚂蚁这样的多腿机器人最适合这类工作。用几条腿支撑可以在狭小的空间保持稳定，再用几条“胳膊”把人抱起来调整姿势。伺候过卧床老人的朋友都知道，用两条胳膊抱起一个人是很困难的，最容易因局部用力过大造成瘀伤或拉伤。若把整个人的重量分摊在三对甚至六对“胳膊”上就容易多了。如果各个肢体可以自动调节分摊压力，更能保证舒服。
多肢体协调是机器人技术上的大难题。一条胳膊（不包括手）有七维自由度，一只人手有高达27维的自由度。高维度的多肢体协调所需的计算量是惊人的，可能用最强的计算机计算好几个小时还做不出一个动作。可是像蚂蚁这样的昆虫，靠着他们只有几万神经细胞的小小神经系统，为什么能实现又快又准的多肢体高维协调运动呢？
研究昆虫的科学家早就找到答案了——局部问题局部解决。蚂蚁的脑只管前进后退行进方向等宏观的指令，而具体的运动协调，如三对肢体的步行、重量分摊、平衡等问题由胸部的神经结来处理。这样就能把计算量成几何级数地削减。根据这个原理，现代的机器人多半用许多单片计算机处理各个关节和肢体的运动，而中央处理器则只做更高级的原则性指令。
蚂蚁是在地球上进化了几亿年的生物，也许在人类毁灭了自己之后蚂蚁还可以生存。乐观地说，人类可以向像蚂蚁学习，利用蚂蚁的技术解决人类的问题，在工程上也是一个捷径。
（二零一四年春于盖瑟斯堡镇）
参考文献:
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.
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