嘘，别惹蚂蚁！研究揭示蚁穴背后复杂物理学

卢卡斯在欺负小蚂蚁的时候，只看到草坪上冒出一个小土丘，中间有个小洞，几只蚂蚁正忙着爬来爬去。蚁丘看起来不是很强大。

但当卢卡斯被魔药缩小，来到地表之下时，一个神奇的地下蚂蚁王国出现在了他的眼前。隧道向下延伸，分支并通向专门的空间：蜂王的家，幼蜂的温床，食物储藏室，垃圾站等等。在地下 25 英尺处，在没有机械和加固材料的情况下，蚂蚁建造了一个可以容纳数百万同伴并可以持续数十年的家园。

现在，美国研究人员利用 X 成像和计算机模拟发现了蚂蚁如何构建这些复杂而稳定的结构。相关论文发表在美国国家科学院院刊上。

只有在你“想要”的时候才去做

蚂蚁是“知道”如何挖隧道，还是只是盲目地挖？加州理工学院的 José Andrade 一直有这个疑问。

但安德拉德是一名工程师，对蚂蚁“一无所知”，于是求助于该校生物学和生物工程助理教授乔·帕克，他的研究重点是蚂蚁与其他物种的生态关系.

Parker 说：“Andrade 团队需要一个研究蚂蚁的人来洞察这些群居昆虫的适应性和集体行为，并为阐明它们挖掘行为的机制提供一些生物学信息." span>

《中国科学报》从加州理工学院获悉，研究人员花了近一年时间培育蚂蚁并了解它们。他们不仅需要培育足够的蚂蚁进行研究，还需要进行大量的实验。

研究人员在一个装有 500 毫升土壤和 15 只西部工蚁的容器中建立了一小群蚂蚁。每 10 分钟，高分辨率 X 射线扫描将捕捉到每只蚂蚁和每一粒土壤的位置，每个实验持续 20 小时。

“蚂蚁有点飘忽不定，只有想挖的时候才会挖。”安德拉德告诉记者，“我们把蚂蚁放在一个容器里，有些蚂蚁会马上开始挖掘，并取得惊人的进展。但有些蚂蚁可能需要几个小时甚至根本不挖掘。有些蚂蚁会挖掘一段时间然后停止然后休息。”

但是一旦蚂蚁开始移动，研究人员就会对整个过程进行 X 射线扫描，生成所有内部隧道的 3D 扫描图。研究人员可以使用扫描结果来创建模拟，以显示随着隧道越来越深，蚂蚁可以取得的进展。

蚂蚁也懂物理

接下来，研究人员开始分析蚂蚁的实际工作是什么。

他们发现，首先蚂蚁会尽可能的提高效率，它们会沿着容器的内边缘挖掘，因为容器本身可以充当隧道的一部分结构，可以减少工作量。

他们还把隧道挖得尽可能直。 “因为直线是两点之间的最短路径。而且，他们知道如何利用容器的侧面，这表明蚂蚁的工作效率很高。”安德拉德说。

蚂蚁也会挖尽可能陡峭的隧道，直到达到所谓的休止角。这个角度代表粒状材料在坍塌之前可以聚集的最大角度。

什么是休止角？安德拉德提到想象在海滩上建造一座沙堡。如果使用干沙，加入的每一勺沙子都会从堆积的沙子上滑下来。更多的沙子会使桩更高更宽，但它永远不会变得更陡峭。另一方面，如果使用湿沙，沙子可以堆得足够陡峭，可以建造墙壁、塔楼、沙堡等。

湿沙比干沙有更高的休止角，蚂蚁能看出挖掘的角度有多陡，而且不会超过这个角度。 “如果我是一个挖掘者，我想活下去，我的挖掘技术必须符合物理定律，否则隧道会坍塌，我会死。”他说。

最后，蚂蚁隧道的物理原理是这样的：当蚂蚁清除土壤颗粒时，它们会导致隧道周围的重量链重新排列。在蚂蚁开始挖掘之前，这些电源链是随机的。重排后，力链一方面加强了隧道原有土墙，同时降低了隧道末端颗粒的压力，使蚂蚁更容易安全地清除它们。

“在工程和蚂蚁生态学中，蚂蚁如何建造这些长达数十年的结构一直是个谜。”帕克说，“事实证明，蚂蚁在挖掘时受益于这些圆周方向。力链。”

超级生物

回到开头的问题：蚂蚁挖的时候知道自己在做什么吗？

事实上，曾经有人将熔化的塑料或金属倒入蚂蚁窝并凝固成模型，人们可以看到这些巨大的隧道系统。 “这些系统令人印象深刻。我曾经看到一张模型的照片，模型旁边有一个人，我想，'天哪，这是一个美妙的结构。'从那以后，我开始怀疑蚂蚁是否知道如何。挖。”安德拉德说。

文章来源：《物理学进展》 网址: http://www.wlxjzzz.cn/zonghexinwen/2021/0831/1084.html