20160921-果殼網：離家多遠了？螞蟻用兩種方法判斷
果殼網：離家多遠了？螞蟻用兩種方法判斷
2016-09-21
在撒哈拉沙漠，有一種能遠離巢穴覓食，卻又能精準回家的螞蟻——雙色沙蟻。科學家之前發現牠們自帶能用於測距的「計步器」。但奇怪的是，雙色沙蟻在一些自己沒爬過的路途上也能知道自己離家的距離。牠們是怎麼做到的？
如果你逛個街還常常被高樓大廈晃得暈頭轉向，找不到來時的地鐵出口，或是出門買個菜就想不起來家在多遠的地方，那麼一隻小小的昆蟲就能讓你佩服得五體投地。
想知道今天自己走了多少步，城市中的人類只要順手點開自己的手機就能知道大概的結果。而許多螞蟻更加厲害，牠們身上居然預裝了一個「計步器」，能透過計算自己行走的步數估測自己與巢穴的距離。在和螞蟻同屬膜翅目的昆蟲中，蜜蜂和黃蜂這些會飛的傢伙靠的則是「光流」（optic flow）測距——利用周圍物體與自己的相對運動來估測自己的行進距離（跟開車窗看外頭景色估計距離與方向的道理很像）。「親戚」們如此強大的技能，螞蟻會不會也在使用？科學家們一直很感興趣，但實際觀察螞蟻，計步器和光流這兩個測距系統偏偏很難分辨——眼睛可以被蒙上，但步子總是要邁的。研究似乎是沒法做了，怎麼辦？
在非洲的撒哈拉沙漠，有一種名為雙色沙蟻（Cataglyphis bicolor）的螞蟻。牠們需要在致命高溫下覓食，因此不得不演化出非凡的識路能力——如果出遠門覓食的螞蟻無法在幾分鐘內及時回到巢穴中，牠們便會命喪於灼熱的砂礫之上。在科學家眼中，這些不起眼的小螞蟻可是研究尋路行為模式的重要生物。他們發現，沙蟻屬的成員具有「路徑整合」能力，利用視覺和距離訊息來計算回家路徑。
科學家其實也想了解，有沒有螞蟻遇到未走過的路程，仍然能不迷路，成功返回巢穴。以雙色沙蟻為例，來自德國烏爾姆大學的薩拉．普費弗（Sarah E. Pfeffer）和馬蒂亞斯．維特林格（Matthias Wittlinger）還真找到了不用邁步子的個體——那些負責打理蟻巢的工蟻。
不用自己爬的螞蟻
和其他螞蟻一樣，每群雙色沙蟻都有自己的女王——蟻后。作為蟻群的核心，蟻后的居所當然是當之無愧的主巢。在主巢附近，辛勤的沙蟻還建立了大量的衛星巢穴，以更好地控制資源。年輕的沙蟻從孵化開始就開始進行清理衛生、照顧卵和幼蟲以及修繕巢穴。隨著年齡漸長，牠們會開始做一些更危險的事：比如戰鬥，覓食等等。可是這些經驗豐富的覓食蟻都管不了巢中內務，衛星巢穴裡也不會有新繁殖的沙蟻，修繕工作的還是落在年輕的工蟻身上——不過牠們常年在主巢活動，不認識外面的路，走丟了怎麼辦？
讓「老司機」帶一帶就好：當工蟻因為各種各樣的問題需要離開自己的巢穴「出差」，一個經驗豐富的覓食蟻會把牠抱起來，運送到需抵達的目的地。這一程，管內務的工蟻可是六腳離地，全仰仗覓食蟻來前進。這就為普費弗和維特林格的研究提供了可突破的盲點。
雙色沙蟻中一隻抱著工蟻快速前進的覓食蟻。/ 圖片來源：參考文獻[1]
當一對覓食蟻與工蟻搬運途中被拆散，工蟻能否設法返回自己原本所在的巢穴呢？在被承載的過程中，工蟻的計步器理當無法發揮效果。此時牠們依賴的測距工具，會是眼睛嗎？普費弗和維特林格用一條直線通道將兩個撒哈拉沙漠蟻的巢穴連在一起，讓一對「老司機」抱著牠的「乘客」走上大概10公尺的路程，然後拆散牠們。科學家將乘客轉移到另一條與原路平行的通道上，然後觀察牠的行為。
抱持行為中，兩隻螞蟻的動作細節。/ 圖片來源：參考文獻[1]
正常狀態下，和「老司機」分開的「乘客」會有兩次搜索行為。第一次是在剛被「趕下車」的時候，牠們可能還在困惑：「咦，我的寶馬怎麼不見了？」而在確認自己被半路撇下這個悲慘事實後，牠們會原路折返，在走過之前靠光流訊息預測出被承載的距離後進行第二次搜索：「我的家理應在這裡了啊。」當然，由於通道被換了，工蟻測距再精準也是找不到巢穴的。
為了搞清楚這樣的測距本領到底是不是和視覺有關，維特林格團隊從一開始把工蟻的複眼腹側給「蒙上」了。從之前的研究可見，這樣做並不會影響走路螞蟻的測距能力，表示計步器依然生效。但對全程沒在走路的工蟻來說，這剝奪了牠們藉助光流訊息來測距的可能性。於是結果表明，這些雙色沙蟻雖然依然會出現第一次找同伴的搜索行為，但在抵達巢穴應該在的位置時卻沒有找窩的意思。這意味著，在計步器不中用的情況下，光流法對於雙色沙蟻的測距也是相當重要的。當兩個系統都無法發揮作用時，牠們就難以估測自己離家的距離。
被迫與覓食蟻分離的工蟻，被放置在測試通道後，於不同位置的相對搜尋強度（RSD）。OF：光流組（不蒙上複眼腹側）；BF：蒙眼組。/ 圖片來源：參考文獻[1]
相互獨立的測距系統
那麼，工蟻的這兩套測距系統，是否能夠互相交換位置訊息呢？研究者進行了新的實驗：他們仍然選擇一對雙色沙蟻，並讓牠們完成10公尺路程。而在這10公尺結束之後，他們才蒙上工蟻的複眼腹側。這樣，工蟻一路上能看到路上的訊息，如果這兩套系統之間存在訊息交換，那麼光流系統所獲得的訊息就可能傳達給「計步器」完成測距工作。
但結果，回程才被蒙眼的工蟻，和那些一開始就被蒙眼的工蟻，竟出現完全相同的行為——牠們會在剛「下車」時進行一次搜索，但對自己巢穴的位置卻沒什麼概念。這意味著，被抱持的雙色沙蟻認路時，這兩套系統之間並沒有訊息交換。也就是說，它們彼此獨立運作，卻並不互相溝通，兩方面的訊息對於雙色沙蟻都一樣很重要。
普費弗和維特林格的螞蟻實驗結果最終發表在《科學》期刊上，這讓我們對螞蟻如何感知環境有了更深入的認識。但這些厲害的測距者身上，仍有許多疑問等著被解開。至於這項研究對路盲們有什麼幫助，它似乎離幫助人們解決迷路的問題還有一段距離，不過既然進化給了我們能夠發明出地圖App的頭腦，還需要數步數嗎？
參考文獻：
Pfeffer, Sarah E., and Matthias Wittlinger. “Optic flow odometry operates independently of stride integration in carried ants.” Science 353.6304 (2016): 1155-1157.
撰文：S.西爾維希耶
編輯：Calo
審稿：王企珂
本文來源於果殼網（微信公眾號：Guokr42），這是一個開放、多元的泛科技主題網站，提供負責任、有智趣的科技主題內容，歡迎關注他們。如需轉載請直接聯繫media@guokr.co
2016-09-21
在撒哈拉沙漠，有一種能遠離巢穴覓食，卻又能精準回家的螞蟻——雙色沙蟻。科學家之前發現牠們自帶能用於測距的「計步器」。但奇怪的是，雙色沙蟻在一些自己沒爬過的路途上也能知道自己離家的距離。牠們是怎麼做到的？
如果你逛個街還常常被高樓大廈晃得暈頭轉向，找不到來時的地鐵出口，或是出門買個菜就想不起來家在多遠的地方，那麼一隻小小的昆蟲就能讓你佩服得五體投地。
想知道今天自己走了多少步，城市中的人類只要順手點開自己的手機就能知道大概的結果。而許多螞蟻更加厲害，牠們身上居然預裝了一個「計步器」，能透過計算自己行走的步數估測自己與巢穴的距離。在和螞蟻同屬膜翅目的昆蟲中，蜜蜂和黃蜂這些會飛的傢伙靠的則是「光流」（optic flow）測距——利用周圍物體與自己的相對運動來估測自己的行進距離（跟開車窗看外頭景色估計距離與方向的道理很像）。「親戚」們如此強大的技能，螞蟻會不會也在使用？科學家們一直很感興趣，但實際觀察螞蟻，計步器和光流這兩個測距系統偏偏很難分辨——眼睛可以被蒙上，但步子總是要邁的。研究似乎是沒法做了，怎麼辦？
在非洲的撒哈拉沙漠，有一種名為雙色沙蟻（Cataglyphis bicolor）的螞蟻。牠們需要在致命高溫下覓食，因此不得不演化出非凡的識路能力——如果出遠門覓食的螞蟻無法在幾分鐘內及時回到巢穴中，牠們便會命喪於灼熱的砂礫之上。在科學家眼中，這些不起眼的小螞蟻可是研究尋路行為模式的重要生物。他們發現，沙蟻屬的成員具有「路徑整合」能力，利用視覺和距離訊息來計算回家路徑。
科學家其實也想了解，有沒有螞蟻遇到未走過的路程，仍然能不迷路，成功返回巢穴。以雙色沙蟻為例，來自德國烏爾姆大學的薩拉．普費弗（Sarah E. Pfeffer）和馬蒂亞斯．維特林格（Matthias Wittlinger）還真找到了不用邁步子的個體——那些負責打理蟻巢的工蟻。
不用自己爬的螞蟻
和其他螞蟻一樣，每群雙色沙蟻都有自己的女王——蟻后。作為蟻群的核心，蟻后的居所當然是當之無愧的主巢。在主巢附近，辛勤的沙蟻還建立了大量的衛星巢穴，以更好地控制資源。年輕的沙蟻從孵化開始就開始進行清理衛生、照顧卵和幼蟲以及修繕巢穴。隨著年齡漸長，牠們會開始做一些更危險的事：比如戰鬥，覓食等等。可是這些經驗豐富的覓食蟻都管不了巢中內務，衛星巢穴裡也不會有新繁殖的沙蟻，修繕工作的還是落在年輕的工蟻身上——不過牠們常年在主巢活動，不認識外面的路，走丟了怎麼辦？
讓「老司機」帶一帶就好：當工蟻因為各種各樣的問題需要離開自己的巢穴「出差」，一個經驗豐富的覓食蟻會把牠抱起來，運送到需抵達的目的地。這一程，管內務的工蟻可是六腳離地，全仰仗覓食蟻來前進。這就為普費弗和維特林格的研究提供了可突破的盲點。
雙色沙蟻中一隻抱著工蟻快速前進的覓食蟻。/ 圖片來源：參考文獻[1]
當一對覓食蟻與工蟻搬運途中被拆散，工蟻能否設法返回自己原本所在的巢穴呢？在被承載的過程中，工蟻的計步器理當無法發揮效果。此時牠們依賴的測距工具，會是眼睛嗎？普費弗和維特林格用一條直線通道將兩個撒哈拉沙漠蟻的巢穴連在一起，讓一對「老司機」抱著牠的「乘客」走上大概10公尺的路程，然後拆散牠們。科學家將乘客轉移到另一條與原路平行的通道上，然後觀察牠的行為。
抱持行為中，兩隻螞蟻的動作細節。/ 圖片來源：參考文獻[1]
正常狀態下，和「老司機」分開的「乘客」會有兩次搜索行為。第一次是在剛被「趕下車」的時候，牠們可能還在困惑：「咦，我的寶馬怎麼不見了？」而在確認自己被半路撇下這個悲慘事實後，牠們會原路折返，在走過之前靠光流訊息預測出被承載的距離後進行第二次搜索：「我的家理應在這裡了啊。」當然，由於通道被換了，工蟻測距再精準也是找不到巢穴的。
為了搞清楚這樣的測距本領到底是不是和視覺有關，維特林格團隊從一開始把工蟻的複眼腹側給「蒙上」了。從之前的研究可見，這樣做並不會影響走路螞蟻的測距能力，表示計步器依然生效。但對全程沒在走路的工蟻來說，這剝奪了牠們藉助光流訊息來測距的可能性。於是結果表明，這些雙色沙蟻雖然依然會出現第一次找同伴的搜索行為，但在抵達巢穴應該在的位置時卻沒有找窩的意思。這意味著，在計步器不中用的情況下，光流法對於雙色沙蟻的測距也是相當重要的。當兩個系統都無法發揮作用時，牠們就難以估測自己離家的距離。
被迫與覓食蟻分離的工蟻，被放置在測試通道後，於不同位置的相對搜尋強度（RSD）。OF：光流組（不蒙上複眼腹側）；BF：蒙眼組。/ 圖片來源：參考文獻[1]
相互獨立的測距系統
那麼，工蟻的這兩套測距系統，是否能夠互相交換位置訊息呢？研究者進行了新的實驗：他們仍然選擇一對雙色沙蟻，並讓牠們完成10公尺路程。而在這10公尺結束之後，他們才蒙上工蟻的複眼腹側。這樣，工蟻一路上能看到路上的訊息，如果這兩套系統之間存在訊息交換，那麼光流系統所獲得的訊息就可能傳達給「計步器」完成測距工作。
但結果，回程才被蒙眼的工蟻，和那些一開始就被蒙眼的工蟻，竟出現完全相同的行為——牠們會在剛「下車」時進行一次搜索，但對自己巢穴的位置卻沒什麼概念。這意味著，被抱持的雙色沙蟻認路時，這兩套系統之間並沒有訊息交換。也就是說，它們彼此獨立運作，卻並不互相溝通，兩方面的訊息對於雙色沙蟻都一樣很重要。
普費弗和維特林格的螞蟻實驗結果最終發表在《科學》期刊上，這讓我們對螞蟻如何感知環境有了更深入的認識。但這些厲害的測距者身上，仍有許多疑問等著被解開。至於這項研究對路盲們有什麼幫助，它似乎離幫助人們解決迷路的問題還有一段距離，不過既然進化給了我們能夠發明出地圖App的頭腦，還需要數步數嗎？
參考文獻：
Pfeffer, Sarah E., and Matthias Wittlinger. “Optic flow odometry operates independently of stride integration in carried ants.” Science 353.6304 (2016): 1155-1157.
撰文：S.西爾維希耶
編輯：Calo
審稿：王企珂
本文來源於果殼網（微信公眾號：Guokr42），這是一個開放、多元的泛科技主題網站，提供負責任、有智趣的科技主題內容，歡迎關注他們。如需轉載請直接聯繫media@guokr.co
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