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人类在这一点上竟比不过蚂蚁,原因是我们太过自私

在狭小通道中也能保持交通顺畅的蚂蚁


对于中国各大城市的上班族,每天两次的交通堵塞都不可避免。令科学家费解的是,蚁群在觅食时,大量的蚂蚁会处于搬食回巢和出去觅食的双向流动中,但它们却不会发生拥堵。最近发表在elife上的一项研究,揭示了蚂蚁不“堵车的原因:不同于各怀心思的人类,蚂蚁群有一个共同的目标——为了群体的生存。


来源丨arestechnica等
编译丨石云雷
编辑丨杨心舟 



不会“塞车的蚂蚁


相对而言,蚂蚁比人类拥有更多的群体行为,算得上是群体行为的典范物种。当一些蚂蚁被隔开时,它们是一个个单独的个体。但它们聚在一起时,更像是一个单独的整体在采取行动。最近的十年内,科学家也对蚂蚁等多种昆虫的群体行为进行了大量研究。



2008年,德国科学家在实验室建立了一条微型的、相互交叉的蚂蚁通道。蚂蚁需要通过这些道路,在巢穴和一个有糖的食物源之间来回爬行。研究人员想以此来观察,蚂蚁会在多快的时间内找到两者之间最短的路径。他们最初猜测蚂蚁会和人群一样,出现交通堵塞。然而结果却和预测的截然不同,实际上一旦去觅食的蚂蚁被搬运食物返回巢穴的蚂蚁阻挡时,它们就会再去找一条新的替代路径


去年,美国佐治亚理工学院的物理学家Daniel Goldman研究了火蚁是如何优化通道挖掘效率的。它们挖的通道其实十分狭小,只能刚好让两只火蚁同时通过,但却很少发生拥堵现象。这是因为,当一只火蚁进入已有其他火蚁工作的通道时,它会再去寻找另一个通道。这保证了在任意时间内,只有一部分的火蚁在挖通道。最终30%的火蚁完成了70%的挖掘工作量。


与人类的上下班高峰相比,大量的蚂蚁觅食高峰时期的交通情况会更好,这一点仍然非常神秘。最近发表在eLife上的一项研究显示,即使在很拥挤的条件下,蚂蚁仍能维持通畅和高效流动的原因在于,蚁群可以根据环境的改变,采取适当的行为。



自适应保证交通

在最新的一项研究中,法国图卢兹大学动物认知研究中心和美国亚利桑那大学的科学家,对阿根廷蚂蚁(Linepithema humile)进行了试验。研究中,他们利用桥梁将蚂蚁群落与同一个食物源连接。另外,为了更好地调控蚁群的流通密度,他们给不同大小的蚁群(从400只到25600只的蚂蚁)分别安排了不同桥面宽度的桥。然后,科学家进行了170次试验,来监测蚂蚁的交通情况,并记录蚂蚁的交通流量(在单位时间内覆盖给定距离的蚂蚁数量,q)、爬行速度(v)和蚂蚁之间碰撞的次数(C)。


蚂蚁试验模型


研究人员发现,当蚂蚁的数量占据桥面积的80%时,交通依旧能保持流畅和稳定。而在我们人类的交通中,当行人和汽车才占到道路面积的40%时,交通速度就开始变缓了。

那蚂蚁不会出现交通拥堵的秘诀是什么呢?研究人员发现,关键在于蚂蚁能对行为进行自我调节,当蚂蚁的数量增加、交通开始拥堵时,它们能根据环境的需要调整和适应新的“交通规则”。

 桥上的蚂蚁密度增大时,蚂蚁的移动速度下降。


比如当蚂蚁进入拥挤的道路时,它们能调节自己的行为,以保证桥上的蚂蚁数量不会超过桥宽所能提供的最大流量。


蚂蚁在桥上的交通流量,会随着蚂蚁的密度先增加,后趋于稳定。


人类的交通情况主要会受到交通法规、行人或司机之间的交流(一般是因为出现了冒犯行为)和负反馈行为(比如行人或汽车都想方设法往前挤)的调控。而在蚂蚁的交通中,更多的是正反馈调节(比如跟随和强化同伴走过的踪迹)。蚂蚁之间的交流会消耗一点时间,但对整个群体通常是有益的,因为这样能够促进信息的传递。

 蚂蚁密度增加时,蚂蚁间接触的次数增多,也会使蚂蚁花交通上的时间呈线性增加。


而蚂蚁之间的交流与交通的动态变化也密切相关。2015年发表的一项研究中,科学家发现火蚁之间交流时间相对较短,只有0.45秒,并且在火蚁达到一个数量阈值之前,它们都能保持交通流畅。


而在新研究发现,阿根廷蚂蚁的交流时间大概要比火蚁快2倍。而更短的交流时间也意味着,在更大的交通流量范围内,这些蚂蚁能更快地调节速度,依旧能保持交通的流畅。



集体高于个体的结果

当然,蚂蚁并不需要遵守人类社会中的交通规则,比如即使面前没有任何汽车需要横穿,汽车司机还是必须在一个红灯前面停下。“在我们的社会中,交通拥堵之所以普遍存在,是因为每个人都有自己的目的,”研究的作者说,“但蚁群中的蚂蚁有一个共同的目标,即群体的生存。因此它们需要团结合作,保证搬回巢穴的食物最多。”


在搬运食物时,它们维持的交通流畅性越好,它们越能将更多的食物运回巢穴。除此之外,2008年发表的一项研究显示,在个人利益和集体利益之间存在一个天生的矛盾点。正是由于每个人的目的不同,使我们在交通上需要另外花费30%的时间。

研究者认为这是“混乱的代价”。这也是就算扩宽高速公路,也不会减少人类交通拥堵的一个原因。而能改善人类交通问题的方法,可能是封闭主路上的周围一些岔路,因为这样可以逼迫司机像蚂蚁一样,去发现另一条替代路径。


目前,蚁群如何一直保持交通流畅的机制还是未知的。因为这种集群就像是许多粒子在相互作用的系统,因此通过研究蚁群中蚂蚁间的合作,我们能获得一些有用的原理,来帮助分子生物学、统计物理学和电子通讯等众多领域的科学家。这些从蚁群中获得的灵感,或许还能帮助我们给自动汽车编程,让他们像蚂蚁一样能调控行动,提升交通运转效率。

参考链接:
https://arstechnica.com/science/2019/10/study-ants-are-immune-to-traffic-jams/




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