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蚁群是一个超级生物吗? 精选

已有 11335 次阅读 2016-11-20 09:24 |系统分类:科普集锦

刚才看见刘学武老师在其博文 《正常的学术交流应该是怎样的》的结尾处提到“因为细胞合在一起更能节约能量,在人出现之前,能量获取是决定着个体生物的寿命最重要的因素,正是因为细胞合在一起形成规模,平均获得能量需求会降低,受约束更少,也就是说复杂生物更适合生存。这就是生物为什么由细菌进化出高等级复杂动物的最根本原因。”

他的这个猜想很有道理,虽然在个体生物中很难验证这是否就是单细胞到多细胞进化的“最根本原因”,但是在社会性昆虫上确实有点儿这个意思。所以我这就 聊聊蚂蚁。

特著名生态学家,哈佛大学的 E.O Wilson,写过几部关于社会性昆虫的巨著,有一部还得了普利策奖。他建议把社会性昆虫(蚂蚁,白蚁,蜜蜂,黄蜂)的 colony 群落当作一个整体的superorganism (超生物)来看待(其实这个提法在1911年普林斯顿就有人提出了)。但是,他老人家基本上只是做了这个比喻,用了一些非常定性的例子来支持他的说法。

2009年我们决定分析定量的数据,来证明一个蚁群确实可以被看作是一个生命,而各个蚂蚁就像是这个生命体里面的细胞一样。

生命体有这样几个共同特点:新陈代谢(能量消耗率),生长,繁殖,死亡。所以我们就想从这四个方面入手。

第一个是新陈代谢率。我前两天说过哺乳动物和鸟类(其实基本上所有的生物)都有一个普适的规律。他们的能量消耗和他们体重的四分之三次方成正比。(这个3/4迷倒了无数英雄,也有人争论是2/3,这里暂不去说他)。是2/3,还是3/4,这个并不要紧,重要的是,它不是1,亦即他不是线性的关系。这里用通俗的语言说一下为什么。如果能量消耗和体重直接成正比(次方是1),那么大象的体重是老鼠的一万倍,他的新陈代谢率也就应该是老鼠的一万倍。但是,由于3/4小于1 ,大象的能量消耗只是老鼠的一千倍。

这里,这个3/4是个生命的重要特征。如果蚁群是一个个体的生物,也应该遵循这个规律。我收集了N种社会性昆虫群落的数据,最后发现,不仅是蚂蚁,包括蜂类,他们群落的能量消耗率都和整个群落的重量的~3/4成正比。

这个东西不得了啊,兄弟伙。

这就是说,假定一只蚂蚁的能量消耗是1,你把一万只蚂蚁,片面,孤立地放到一万个试管里面去测量它们的能量消耗,他还是1,加起来的和则是一万。但是如果你把这一万只蚂蚁放在一起,组成一个社会,就是见证奇迹的时刻到了----它们总的能量消耗居然就降到了一千(1万的3/4次方是一千)。

这说明了一个什么道理?说明了团结就是力量,团结就是力量,这力量是铁,这力量是钢,比钢还硬比铁还强。 意思就是,在一个社会里,每一个成员所需要的能量比你孤立的个人主义要少,而每一个成员的效率(和能量消耗成反比),比孤立的个人 主义要高。所以雷锋叔叔说了“对待个人主义要像秋风扫落叶一样”。

当然了,有人反感我把生物领域的东西拿到社会领域来说事儿。其实社会领域也有同样的现象。我的前老板,世界级特著名科学家West做过研究,说明了纽约并不简简单单的圣路易斯的放大。这里面也有很多涌现性质。必须要指出的是,这些性质用鸡零狗碎的,零敲碎打的,还原论的方式,你永远也看不 出来。必须用高屋建瓴的,气势宏大的系统观,才能拨云见月。

不仅是能量消耗率是这样,我们最后发现,社会性昆虫的群落,在那四个生命特征上,都和他们的整体重量呈指数小于一的非线性关系,而这些指数的数值都和单个生物的数值很接近。比如蚁群的生长速率和哺乳动物的生长速率都和他们的重量成3/4 的幂律关系,而蚁群的寿命和哺乳动物的寿命也和体重呈1/3~1/4左右的幂律关系。

这篇文章后来在2010年的美国科学院院刊(PNAS)发表。我们的文章是收集已有的跨种的数据(inter-specific)加上一点点数学模型,来讨论这个问题的。文章出来以后,很多课题组都实际测量了种内的蚁群的能量消耗率(intra-specific),也得到了相同的结果。

人们这几年提出了很多假说来解释这个情况。但这些假说不是被证明是错的(或者是ad hoc的),就是很难证实的。小弟我2011年之后全心放在衰老研究上,直到今年才又将这个蚂蚁的项目重新拾起来。我的假说是,由于蚂蚁之间有信息交流,共享食物和信息,所以并不是每一只蚂蚁都需要勤劳的工作。而蚁群越大,偷懒混日子的蚂蚁的比率越大,就和人民公社混工分一样(这个是开玩笑了。不工作的蚂蚁实际上是一种人员储备,准备应急,或者是有其他别的在窝内工作,照顾baby等)。工作和不工作显然消耗的能量不一样。如果大的蚁群不工作的蚂蚁多,那平均到每只蚂蚁消耗的能量肯定就要少。

我们就做了测量。把不同数量的蚁群放在玻璃盒子里,上面架摄像机,下面接二氧化碳分析仪,同时测了三个量:两个小时之内的能量消耗,总运动路程,和每六秒间隔内运动的蚂蚁数量。

结果简单说一下:30 只蚂蚁的群落,单位时间有40%的蚂蚁在运动着,这个百分比随蚁群的增大而逐渐减小,增加到了300只时,只有20%在活动着。重复了几次都是这个结果。我们还发现,这种蚂蚁,只要它在运动,那它的速度基本就是个常数。这也就是说平均到每只蚂蚁身上(运动和不运动的都算进来),大的蚁群的平均速度就要低很多。而蚂蚁的总运动路程,总平均速度,和总消耗能量,恰好符合我刚才说的那个3/4幂律关系。

这是第一个在实验上对这个小于一的幂律的一种解释(不排除还有其他解释),并且同时测量了运动和能量消耗,直接把生理和蚂蚁的行为联系了起来。我们就飞快地写了一篇短文,正在审稿中。

当然这只是万里长征第一步。这个实验提出一个更重要的问题:为什么运动的蚂蚁的百分比有规律的随着蚁群的增大而减少。这里面的道理是什么?我现在有一个基于优化的进化假说。正在准备做实验证实,数学模型也有待完善,就不再这里说了。

更有趣的问题是,能不能把这些规律运用到解释人类社会的某些经济现象上来。这就更超出了我的能力范围。

如贤者能有以教我,小弟则感激不尽



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