炉匠：蚂蚁找路的故事（二）

雨加雪天闲着也是闲着，把上次在国内用手机码的字重写一遍，配上图。另外去掉给发哥勺妹的人参公鸡。冷饭炒炒香，忽悠人帮我画小人书。

蚂蚁找路的故事（二）

听了我上期的故事很多小朋友会举手，说你为什么总是讲“外国老爷爷”的故事，怎么不讲讲我们中国的科学家？ 难道真像网上神回复说的那样，天朝从宋明之后就对科学没贡献？好吧，我这次就讲个中国科学家的故事。

     上期讲了EO Wilson发现了带领蚂蚁回家的化学信使的秘密，但并没真正发现蚂蚁怎样找路的原理。科学上总是这样，一个惊人的发现总会带来更多的惊人问题。在蚂蚁找路的问题上也是这样。因为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！背着食物的蚂蚁会直接回家！！而非重复巡食时候走的那些曲曲弯弯的道路（图四）. EO Wilson发现的化学信使是在直接回家的路上留下的，为了指引后来的蚂蚁。但是蚂蚁在找到食物后怎样就能一下发现回家的捷径，确实是个更大的谜团。

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，背着食物重复寻食时的道路，就会消耗自己能量，考虑后面的大群跟随循迹菲若蒙的蚂蚁，这种浪费就更惊人了。所以今天的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，EO Wilson和很多专家都进行了研究但并没有研究透。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. 

       既然权威说了，业内也就基本上接受了这个论点. 时间到了1990年代, 中国已经改革开放但春风尚未吹遍科研领域. 中科院的沈老师既没钱又没学生, 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课题. 虽说这是个世界级的科研难题，但当时并没有得到重视。大家都在忙着建大中心，买大仪器，打造世界一流的研究机构。 沈老师虽然没有经费，但蚂蚁在研究所院子里到处有, 经费呢？只需要几个油条渣子. 没有助手，只好用自己太太。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 。

图四  蚂蚁找食和回窝的路径。每个小圆圈标注10秒时间。采自沈老师文章的图二

           我经常用沈老师的蚂蚁实验作为讲解科研方法的经典。为了否定偏振光引路这个假说，你必须用两个实验：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，一个结果才能扎实。

否定了偏振光引路理论，这个绝对是个“世界先进水平”的大发现。在江湖上有好多传闻，说沈老师拒绝了顶级杂志，投到一个专业的昆虫学杂志上了。一个科学家能蔑视顶级杂志，这绝对极少数超人才有的牛掰行为！为了查清事实我在2013年底专门去访问了沈老师，亲耳听了他讲的故事。原来他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个世界级的蚂蚁权威, 虽然沈老师的文章推翻了世界权威的理论, 但由于沈老师的实验严谨，写的也无懈可击，世界级的权威立即就接受了. 比较有戏剧性的是Science杂志听到一个专业杂志抢了他们的饭，居然立刻给沈老师打电话，详细地询问了实验的细节，并以科学新闻的形式和那个昆虫学杂志同时发表了消息.  搞科研搞到让顶级杂志主动打电话询问结果，这个比较少见吧？这个可不是外国老爷爷哦。

      可是推翻了偏振光理论，那蚂蚁到底靠什么来找路呢?  到了2006年，在顶级杂志Science上，前面说的那位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? 这也算个脑筋急转弯的问题，小朋友们，你能想出来吗？要知道如果你在合适的时间，地点上答对这个问题，就能当上个教授哩，就象那篇2006 年Science 文章的第一作者那样。

         这实验说出来确是十分简单。如果蚂蚁靠数步子来记路，那么你把它的步长改变，就一定会产生误差啦。比如把它的腿剪短一些，那么每一步就小些，最后积累起了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（图五）。

图五  加长和减短蚂蚁腿的实验，采自 Wittlinger et al., (2006) Science 312: 1965.的图二

       这简直就是中学生都能做的实验哩！根本不需要什么高级仪器。是的，有时重大发现的关键实验就是这么简陋，根本不用大仪器。比如沈老师那时的实验就根本没用录像设备，用手在纸上画的图也就接受了（图四）。 科学发现中最重要元素的还是想象，提出假说和验证假说。这点和艺术家差不多。只不过科学家一般在在世的时候已经名利双收，而艺术家往往是贫病而亡，死后多少年才出名。

            最后我还想回答一个问题，就是你们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？ 这个问题比较俗，但我在美国经常被问到。俺们米国这儿的升斗小民比神州的P民还要刁民，米国世界第一强国跟我没啥关系，我们就关心你们科学家花这我们税钱，能给我们带来什么好处。

            篇幅有限，挑个重要的，回答老龄化问题吧。这是世界性的问题，不管是欧美先富后老还是天朝未富先老，老了总要有人照顾吧。到了老龄化社会，全世界的劳动力都去当护工也许还不够。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，最需要的帮助是有人帮助打扫卫生，跑腿买买菜，取个药啥的。能够自动找回家的机器蚂蚁能不能起这个作用？六条腿的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。很可能是将来家庭像冰箱电视那样的必备品。在室内帮助端茶递水，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定位精度，实现很多需要三维精确定位的家务，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，上下床，伺候大小便。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”把人抱起了调整姿势这类工作。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”就容易多了。如果各个肢体可以自动调节分摊压力，就能保证舒服。可是多肢体协调是个工程技术上的大难题。一条胳膊不算手有七维自由度，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的神经系统，为什么能实现又快有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。就是局部问题局部解决。大脑只管前进后退行，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的削减。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。

蚂蚁也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是可以生存的。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，达到与地球生态共存的状态。

REF:

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.