集体运动：科学家如何研究蚂蚁软木塞

我记得现在，一个工作日的早晨，赶紧学习。 您到达公共交通站点，看着一群像企鹅在行进中的人群。 您看着骑自行车的人比骑自行车的速度快的道路。 您了解这里没有什么可以捉住的，您转身走路。 到处都是交通拥堵：在道路上他们训练驾驶员对佛教徒的耐心，而在公共交通中，无论您是否喜欢，他们都可以让您上瑜伽课。 造成交通延误的主要原因是，对于特定的交通路径，车辆或人员过多，无法应对这种流量。 野生动植物中也有大量个体，每种物种都用自己独特的方法来对抗软木塞。 在组织与合作方面，蚂蚁被正确地称为最好的蚂蚁之一。 这些小的工作狂生活在成千上万个殖民地中，甚至有数百万个殖民地，但同时却没有交通拥堵的任何“滋味”。 自然地，出现了一个问题-他们是如何做到的？ 来自亚利桑那大学（美国）和图卢兹（法国）的科学家正在寻找这个问题的答案。 蚂蚁如何精确地应对交通拥堵，哪些方法可以应用于我们，哪些方法不可以？ 我们从研究小组的报告中了解到这一点。 走吧

学习基础

马克思认为，蚂蚁历来与工作狂，君主制和社会阶级分化有关。 蚂蚁家族有大约14,000种，生活在地球的各个角落，除了南极洲。 如果算上地球上所有的蚂蚁，那么它们将占陆生动物生物量的约10-25％。 蚂蚁的成功取决于其适应不断变化的环境条件和令人难以置信的组织能力。


蚂蚁帝国纪录片（英国广播公司，大卫·阿滕伯勒，2018年）。

看着蚂蚁如何建立自己难以置信的殖民地，如何有组织地行进并且似乎永无止境，人们给人的印象是，它们中的每一个都是单个生物的粒子-集体的思想。 这就是为什么科学家对这些昆虫的兴趣没有减弱的原因。


一群牛羚的迁徙。

如果我们谈论运动，那么多种形式的生物以一种或另一种形式参与了集体运动：昆虫群落，鱼群，有蹄类动物的迁徙，成群的鸟类等。 大多数情况下，大多数个体沿着一条路径（向量）移动，但沿着其独特的轨迹移动，这有利于该个体与整个流的整体协调。 如果某些问题朝一个方向发展，而另一些问题朝着这个方向发展，问题就开始了。 在这种情况下，很难避免碰撞。 但是这种情况在动物界并不像乍看起来那样普遍。 记住在迁移期间在田间奔跑的牛羚群。 他们的流动朝着所有人共有的一个方向移动，这是一种单向道路。 人类是可以同时在两个方向同时集体移动的少数生物之一。 在两条道路上。 蚂蚁也有这个技巧，对我们来说这似乎很普遍，但是对于集体生物来说，它被认为是非常独特的。


切叶机用于建立农场，并在咀嚼的叶子上生长蘑菇。

蚂蚁必须走很多路，因为它们生活在某个地点（蚁丘），并且在找到食物的地方获得食物。 当蚂蚁发现大量食物时，它便为从家庭到食物的化学路线铺平了道路，其亲属也可以遵循。 通量密度在很大程度上取决于蚁丘中的个体数量，并且每分钟可以达到数百只蚂蚁。 在这种情况下，不会出现交通阻塞，事故和电话保险公司的情况。 溪流不断移动，蚂蚁继续有效地履行职责（工人得到食物，而士兵则保护着他们）。

研究人员提醒我们，在道路建设中，人们的密度（ k ）与流量（ q = vk ，即速度乘以密度）之间的关系通常使用基本图（ 1A ）来描述。


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根据所考虑的系统，速度密度图和流量密度图之间存在差异，但是从根本上说，它们具有共同的特征。

首先，流量q随着密度k从零增加到最大值，然后衰减，直到以所谓的最大糖化密度kj返回到零为止。 通量-密度曲线通常以最佳值k的方式呈凹形，以达到最大通量或丰度。

其次，如果个人独自移动，则其速度将最大（自由流速vf ），并且随着密度k的增加而减小。 当糖浆密度达到v （ kj ）= 0时，速度降至零，即 运动的所有参与者都停止了。

类似的计算方法已被反复应用于蚂蚁。 例如，在切叶蚁和火蚁中，移动速度随着密度的增加而降低，而在森林和游牧蚁中，随着密度的增加，运动速度保持恒定。

切叶蚁，树木和游牧蚁记录的最高密度以及估计的就业率（蚂蚁覆盖的面积的百分比）相对较低：0.8 / cm ² （就业率0.20），0.6 / cm ² （0.13）和0.3 / cm ² （0.10）。 由于蚂蚁从未超出运动路径的边界能力，因此这些指示剂的高度不足以形成软木塞，因此它们遵守了对应于路径宽度的最大允许流量值。

在我们今天正在考虑的研究中，科学家们决定检查蚂蚁是否可以避免以不同的通量密度值形成堵塞。 主要特征是该物种的蚂蚁（ Linepithema humile-阿根廷蚂蚁）。 该物种是该家族中数量最多，分布最广泛的物种之一。

通过桥（ 1B ）将蚁群连接到食物的位置，桥的宽度变化（5、10和20mm），这又使得可以控制流量密度。 实验中有几个不同数量的菌落：从400到25600只蚂蚁。 总共进行了170次实验观察，在此期间每秒的流量和密度是固定的。 改变从殖民地到食物的桥梁宽度的能力使得获得通量密度（从每厘米²到0到18蚂蚁）和就业（从0到0.8）的各种指标成为可能。

实验结果

在分析所有170个实验的数据之前，科学家们确保这些数据不会失真。 首先，发现进入食物区的蚂蚁数量不会影响进食行为。 大多数蚂蚁都吃了一次，这消除了负面反馈的存在，这可能是由于喂养地点的个体高度集中所致。 其次，科学家控制着桥的宽度不影响蚂蚁的速度。 在没有互动的情况下，并且在蚂蚁独自旅行的情况下，无论桥梁的宽度如何，它们的速度都是相同的。


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第一步是从宏观层面研究蚂蚁的运动。 图2A中描绘了沿两个方向移动的q ant的流量与密度的关系。 通量q以密度k增大到某个点，然后保持恒定。

图2B显示了使用蚂蚁沿着给定路径的三种不同的宏观功能对k和q之间的关系进行的分析。 使用最小二乘法*选择所有功能参数。

最小二乘法*是一种基于最小化某些函数与所需变量的平方偏差之和的数学方法。

根据实验数据，创建了一个两相流动函数，将q - k比描述为分段线性函数* ，当达到糖化flow密度时，线性增加的流量和恒定的流量值。

分段线性函数*是在一组实数上定义的函数，在组成定义域的每个区间上都是线性的。

两相流函数如下：

如果k≤kj，则q（k）= kV

和

如果k﹥ kj，则q（k）= kjv

接下来，选择一个统计模型，这使得为所有统计模型分配条件概率成为可能。 大量数据使得有可能获得明确的结果-两阶段统计模型（ 2C ）。

因此，为什么蚂蚁不会卡在交通拥堵中的问题的答案可能是高密度的时空流动组织。

当两个蚂蚁通道都没有完全相交并且在空间上分开时，这种流在空间上被称为“有组织”。 当运动方向发生振荡变化时，就会发生临时组织，流动从中周期性地变为单向，即 运动方向交替。

在运动的两种情况下，蚂蚁之间的接触（碰撞）都受到限制，这使蚂蚁可以保持不间断的流动。

但是，在科学家进行的实验中，未观察到这些类型的组织。 当蚂蚁的密度达到临界阈值时，传入和传出的流量在时间和空间（ 3A ）中混合。


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另外，与行人交通的规律相反，密度k与流q之间的依赖性仅轻微地影响流（ 3B ）的不对称程度。 也就是说，当运动主要为单向运动时，其密度为k时，其流动并没有比完全双向的运动更快。


蚂蚁沿着20毫米厚的桥移动。 该视频捕获了栖息地区域和食物区域之间建立联系后10分钟的蚂蚁运动。


蚂蚁沿着5毫米厚的桥移动。 该视频捕获了栖息地区域和食物区域之间建立联系后10分钟的蚂蚁运动。

考虑到在整体组织流动方面存在歧义，研究人员决定遵循Hercule Poirot的脚步，即仔细考虑细节，即流动中单个蚂蚁的行为。

从个体行为的角度来看，运动流的大多数功能表明，由于个体之间的“摩擦”，个体速度将随着密度非线性降低。

然而，两相流动运动函数假设当密度低于每厘米² 8个蚂蚁时，即流动线性增加时，未检测到蚂蚁之间的这种摩擦。 当密度高于8时，产生了摩擦，但随着密度线性增加，即随着密度的增加而增加。 流量在各种密度下保持恒定。 因此，有必要以某种方式测量和分析所产生的摩擦。

影响单个蚂蚁速度的最重要因素是与其亲属的接触（碰撞）次数，这会使蚂蚁停止运动，从而降低了其整体速度。

为了确定接触点的数量是否起着隐藏的变量的作用，密度和速度之间存在联系，科学家进行了一项实验，他们测量了2 cm长的桥梁的接触点C ，密度k和通过时间T，并考虑了来自7900个种群的所有蚂蚁的数据。


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随着密度k的增加，触点C的数量线性增加（ C = 0.61 k ， 4A ），即 密度越高，观察到的接触越多。 还发现了触点数量C对传播时间T的线性影响-每个触点确实减慢了蚂蚁的速度（ N = T ₀ + C ·∆ T ，其中T ₀ = 0.95 s和∆ T = 0.24 s， 4 V ）。 变量T ₀表示完成无接触的桥梁所需的时间，而ΔT是由于接触而损失的时间。

中间结论是，密度对流速有负面影响：密度增加了个体之间的接触数量，从而增加了∆ T并因此增加了通过桥梁的时间。 这是很合逻辑的，但是，在第1阶段中，情况有点有趣。

在两相运动图中，密度k对速度v没有影响（或几乎没有影响）。 因此，在该阶段中，密度k对速度v会有积极影响。 因此， T ， k和C之间的连接更加不规范。

为了结合多种效果，根据密度k和触点数量C估算了预期的行程时间T。 对于科学家建立的触点C的数量，针对不同的密度值k计算了平均渡越时间T （ 5A ）。


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相邻曲线之间的垂直距离由ΔT的值确定。 正如预期的那样，渡越时间T随着接触点C数量的增加而增加，但奇怪的是，最初的密度k实际上导致渡越时间T减少（至k≈5）。

为了进一步证实这种正密度效应，估计了自由流速度vf，即 没有任何接触（ 5V ）： vf = L /（ T C · ΔT ），其中L = 2 cm（进行观测的桥梁部分）。

vf索引最初以每cm ²最多5蚂蚁的密度增加，然后返回其原始值。 这种波动的解释不在于数学，而在于生物学。 阿根廷蚂蚁使用信息素来标记自己的行进路线，以免迷路，并向亲戚展示食物或住所的路。

结合所有的影响，科学家们提出了他们自己的蚂蚁运动速度公式：

v （ k ）= [ L / T ₀ + ∆ T · C （ k ）]·（⍺+β· k · e ^{- γ · k} ）

C （ k ）是等于0.61 k的平均接触数 ;
⍺，β和γ-模拟信息素效应：⍺-对应于未标记信息素的桥的内部吸引力； β-表示正效应k ； γ是可发生信息素影响的范围。 使用非线性回归算法估算这三个参数：⍺= 0.812±0.009，β= 0.160±0.010，γ= 0.156±0.007。


图片编号6

随着k的增加，观察到速度v减小（ 6A ）。 对于这种速度动力学，为整个流分配了以下公式：

q （ k ）= kv （ k ）

在图6B上，构造了一个预测通量q ，用于估计该通量，使用了实验观测的数据（ N = 7900个观测值）。 在模型和实验数据之间找到了明确的协议。 功能常数是在每秒q≈10蚂蚁/ cm ^{2时获得的} 。

尽管随着密度k的增加，出现了更多的接触，从而增加了传播时间T ，这对通量q产生了负面影响，密度小于5蚂蚁/ cm ^2的个体移动得更快，这对通量产生了积极的影响。

这两个作用是平衡的，这导致通量q随着密度k线性增加（阶段1）。 当密度大于8蚂蚁/ cm ^2时 ，尽管路径（桥）溢出，蚂蚁仍保持恒定的流量q 。 由于接触的增加，速度v （ k ）继续降低，但是对磁通q （ k ）的负面影响被k的增加所补偿。

换句话说，曲线图6B中的通量将在高密度k下增加。 但是，从实验上讲，流量最终将不得不减少，因为桥上蚂蚁的占用（一定区域的占用）不会无限增加。

考虑到没有被蚂蚁占据的桥的面积随着密度的增加而减少，令人惊讶的是，接触的数量仅随密度线性增加。

一个更奇怪的发现是蚂蚁的暴露。 他们克制自己离开殖民地去吃饭，以避免过桥。 因此，在整个研究过程中，尽管科学家增加了菌落数量并减小了桥的宽度，但密度并未超过每平方厘米18蚂蚁。 此外，已经在桥上的蚂蚁很少转过180°（概率为0.01）。

要更详尽地了解这项研究的细微差别，建议您研究一下科学家的报告 。

结语

自然，尽管人和蚂蚁的社会性质不同，但它们却大不相同。 人们的交通堵塞是由人们（步行或开车）造成的，他们每个人都在忙于自己的生意。 来自一个殖民地的蚂蚁总是有一个共同的目标。 另外，蚂蚁可以非常有效地避免的外部因素是造成软木塞的一个非常普遍的原因。 更不用说他们总是留下少量信息素的事实，这有助于为亲戚寻找道路的任务。 还值得注意的是，与我们不同，蚂蚁并不特别害怕彼此碰撞。他们准备留在殖民地，以免造成交通拥堵，从而将不是个人目标而是殖民地的需求放在首位。不幸的是，这对于人们来说也是极为罕见的。

蚂蚁应对充血的方式就是其难以置信的组织的一个很好的例子-进化赋予它们的生物学特性，使它们成为地球上最成功的生物之一。




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