大自然的一个奇迹想象一个蚁冢的样子

文章图片
想象一个蚁冢的样子，脑海中会出现怎样的画面？一个平平无奇的小沙堆，草坪上拱起的看似一戳即破的土堆？……这样的画面，好像确实没什么值得一提的……

文章图片
草坪上的一堆堆蚁冢。｜图片来源：Hans/Pixabay
但事实真的如此吗？对科学家和工程师来说，答案是否定的。
在蚁冢简单外表之下，隐藏着惊人的复杂性。在没有机械和加固材料的辅助下，蚂蚁可以建造出向地下延伸数米的隧道，隧道的每个分支都通向有专门用处的“房间”——有的是蚁后的住所，有的是幼蚁的培育基地，有的是存储食物的场地，还有的被用作为垃圾场……可以说，蚂蚁搭建的不仅仅是洞穴，而是一座地下城，可以承载数百万蚂蚁在其中生活数十年。

文章图片
一个蚂蚁筑的巢的例子。｜图片来源：F.Badland
蚂蚁的这种建造能力令人震撼。其实，在工程学和蚂蚁生态学中，蚂蚁如何创造出这些能够维持数十年的庞然大物一直是个谜。一些研究人员不禁思考，当人类在进行采矿、地铁修剪、地下农场建造等项目时，是否能够从蚂蚁创造的隧道结构中获得提高挖掘能力的灵感？
现在，加州理工学院的一组研究人员就从蚂蚁身上习得了一个关于建造这种复杂而又极其稳定的结构的秘密，他们将研究结果发表在了近期的《美国国家科学院院刊》上。
在开始这项研究之前，研究人员思考了这样一个问题：蚂蚁是否“知晓”如何挖掘隧道，还是它们只是在进行盲目地挖掘？
研究人员虽然无法“采访”蚂蚁，询问它们的想法。但他们首先假设，这些结构复杂的隧道是蚂蚁们“有意为之”的。他们怀疑是蚂蚁会去“感受”泥土，寻找宽松的土壤颗粒然后将它们去除，这就和人类在玩“叠叠乐”时一样，把挑那些松散的积木块挑选出来然后移除，而那些稳固一些的无法被移开的积木，则是承重积木，也就是这座建筑里的“力链” 。在他们的假设中，蚂蚁可以感受到这些力链，然后避免在那里进行挖掘。

文章图片
叠叠乐。｜图片来源：Engin_Akyurt/Pixabay
蚂蚁果真如此吗？为了了解蚂蚁，研究团队向研究蚂蚁的适应性和集体行为的生物学家求助。在生物学家加入后，研究团队开始在容器中培育蚂蚁，并学习如何与它们合作。这个过程花了将近一年的时间。通过这些工作，研究人员确定了培育蚂蚁的最佳容器大小，以及每个容器中最理想的蚂蚁数量。
每当蚂蚁开始动工挖掘容器中的土壤时，研究人员就会每隔10分钟对这些容器进行高分辨率X射线扫描，从而生成容器内的所有内部结构的三维扫描图，以此来捕捉每一只蚂蚁和每一颗土壤的位置，成像过程长达20小时。
成像结果为研究人员提供了与每个隧道形状有关的确切细节，并让他们了解到哪些土壤颗粒在隧道的挖掘过程中被移除了。然后，研究团队利用这些扫描成像创建了一个非常精确的计算机模型，并用它来分析作用在隧道上的力。在模型中，他们重建了每个颗粒的大小、形状和方向，计算出每个颗粒所受的力的方向和大小。

文章图片
通过X射线扫描成像结果，研究人员创建了一个计算机3D模型。｜动图来源：Caltech
【大自然的一个奇迹】此外，研究人员在分析蚂蚁的挖掘时还发现了蚂蚁的一些工作模式。首先，蚂蚁会沿着容器的内缘挖掘，因为容器本身可以充当隧道结构的一部分，从而减少了它们的工作量。此外，它们还会将隧道挖得尽可能的直，这是很合理的，因为直线是平面上的两点之间的最短路径。这两点结合在一起表明，蚂蚁的工作非常高效。
不仅如此，他们还发现蚂蚁会尽可能地将它们的隧道挖得陡峭，一直挖到所谓的自然坡度角。自然坡度较指的是颗粒材料在崩塌前所能堆积的最大角度。当我们在建造一个沙堆时，每加入一勺沙子都会使得它们顺着已经堆好的沙子滑下去。越多的沙子会使沙堆堆得越高、越宽，但永远不会越陡峭。但如果在堆砌时使用的是湿润的沙子，那么就能够把沙堆堆砌得足够陡峭，从而用以建造沙墙、沙塔、沙堡等其他结构。湿润的沙子比干燥的沙子有更高的自然坡度角。每一种颗粒物质都有其独特的自然坡度角，蚂蚁能分辨出它们挖掘时的角度有多陡，而且不会超过这个角度。