合肥市常見(jiàn)小家蟻負(fù)重能力和負(fù)重行為的研究

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我在家中、院子里還有戶外經(jīng)常發(fā)現(xiàn)螞蟻有單獨(dú)搬運(yùn)食物或集體拖拉食物的現(xiàn)象，這引起了我的興趣。仔細(xì)觀察又發(fā)現(xiàn)螞蟻搬運(yùn)食物時(shí)的動(dòng)作很不一樣。這其中有什么秘密呢?螞蟻被稱作動(dòng)物家族的大力士，可是螞蟻的力氣到底有多大，我并不知道。查閱了一些資料也沒(méi)有找到螞蟻力量方面的實(shí)驗(yàn)性數(shù)據(jù)。對(duì)螞蟻力量的描述多出現(xiàn)在科普文章中。科普文章中常常引用哈佛大學(xué)昆蟲(chóng)學(xué)教授馬克莫費(fèi)特的觀察數(shù)據(jù)，即：螞蟻一般可抬起自身重量的300～400倍以上的物體，拖拉自身重量1700倍的物體。可是文章中都沒(méi)有明確指出是哪種類型螞蟻的力量，測(cè)定螞蟻力量的方法也沒(méi)有介紹。小家蟻是一種合肥地區(qū)常見(jiàn)的小型螞蟻，屬昆蟲(chóng)綱、膜翅目、蟻科、切葉蟻亞科，是典型的社會(huì)性昆蟲(chóng)。能不能設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究小家蟻的負(fù)重能力和負(fù)重行為呢?我選擇了家居生活中較常見(jiàn)的小家蟻為研究對(duì)象，嘗試采用投食觀察和錄像分析的方法從小家蟻負(fù)重能力和負(fù)重行為兩方面展開(kāi)實(shí)驗(yàn)性研究，通過(guò)設(shè)定不同重量的食物來(lái)觀察小家蟻的負(fù)重行為，從而了解到小家蟻搬運(yùn)食物的最大重量、負(fù)重行為上的策略、有關(guān)行為信息以及食物的重量與其負(fù)重行為的選擇之間的關(guān)系等。

研究對(duì)象、用具和負(fù)重材料的選擇

研究對(duì)象：小家蟻(MonamoriumpharaonisL.)。小家蟻捕捉自家中的小院，經(jīng)安徽大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院萬(wàn)霞副教授鑒定為切葉蟻亞科小家蟻屬。

研究用具：分析天平(6SP200型)、放大鏡、小刀、毛筆、試管、數(shù)碼相機(jī)(SONYDSC-W5，帶有錄像功能)。

負(fù)重材料的選擇：把各種食物(面包、煮熟的雞蛋、葵花子、油炸馓子、米粒等)用小刀切碎分別投放到小家蟻經(jīng)常出沒(méi)的地面上，觀察小家蟻的取食情況。在各種食物面前，小家蟻更喜歡搬運(yùn)葵花子、油炸馓子、面包屑，但考慮到葵花子有吸濕性小、不易破碎、便于稱量的特點(diǎn)，所以選擇負(fù)重研究的主要材料為葵花子。

研究方法

選擇葵花子作為小家蟻負(fù)重研究的材料，用小刀切碎投放到小家蟻經(jīng)常出沒(méi)的地面上，觀察小家蟻搬運(yùn)食物的負(fù)重行為。當(dāng)食物被搬運(yùn)時(shí)，記錄其負(fù)重行為、搬運(yùn)的路線、速度等。食物被搬運(yùn)一定距離并記錄完整后，用毛筆將螞蟻及其搬運(yùn)的食物一起裝入試管并編號(hào)。觀察結(jié)束后對(duì)試管中的螞蟻和食物稱重。

在大致了解小家蟻個(gè)體負(fù)重能力的基礎(chǔ)上，在離小家蟻的洞口約0.5米的扇形弧面上等距離地放置6個(gè)食物堆，每個(gè)食物堆中有大小不同的食物顆粒10顆，其中一半為5.5mg以下，一半為5.5mg以上。連續(xù)觀察1小時(shí)的時(shí)間內(nèi)小家蟻個(gè)體在大小、重量不同的食物面前的選擇情況并統(tǒng)計(jì)記錄。

拍攝小家蟻的負(fù)重行為，回放并分析螞蟻負(fù)重行為所包含的有關(guān)行為信息及螞蟻在搬運(yùn)時(shí)的分布特點(diǎn)。

結(jié)果及分析

小家蟻個(gè)體最大負(fù)重能力的測(cè)定和食物重量與個(gè)體負(fù)重行為、搬運(yùn)速度的關(guān)系

采用投食觀察的方法發(fā)現(xiàn)，小家蟻個(gè)體在搬運(yùn)食物時(shí)，采取了2種負(fù)重方式：一是用其發(fā)達(dá)的上顎咬住食物，使食物離開(kāi)地面并上舉前行(以下簡(jiǎn)稱上舉前行)；二是用其發(fā)達(dá)的上顎咬住食物在地面拖拉后退(以下簡(jiǎn)稱拖拉后退)。2種負(fù)重方式都需要上顎的幫助，上顎在負(fù)重中起重要作用，其作用相當(dāng)于人體搬運(yùn)物體時(shí)雙手的功能。

圖1為上舉前行(食物離開(kāi)地面)，圖2為拖拉后退(食物在地面)。我在觀察中從未發(fā)現(xiàn)螞蟻有將食物放在身體上背著搬運(yùn)的方式。大家常說(shuō)的螞蟻背食物的說(shuō)法是不可靠的。通過(guò)多次的觀察、記錄、測(cè)量和稱重，可以分析得出如下結(jié)論：

小家蟻個(gè)體搬運(yùn)食物時(shí)，上舉重量的最大值約為5.5mg，是其自身體重的14倍左右；而觀察到的小家蟻個(gè)體在地面拖拉食物(非上舉、食物在地面上)的最大重量約87.5mg，是自身重量的22C倍。可見(jiàn)小家蟻不僅是個(gè)舉重高手，也是個(gè)拖拉高手。通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)的比較發(fā)現(xiàn)：小家蟻的力量與科普文章中螞蟻的力量差異較大，這可能與不同種類的螞蟻力量不同有關(guān)。

食物的重量決定了小家蟻個(gè)體負(fù)重行為的選擇以及搬運(yùn)的速度。當(dāng)重量小于5.5mg時(shí)，其負(fù)重行為是上舉前行的方式；當(dāng)重量大于5.5mg時(shí)，其負(fù)重行為是拖拉后退的方式；當(dāng)食物重量約為5.5mg時(shí)，小家蟻采取了特殊的搬運(yùn)方式即上舉前行、拖拉后退交替進(jìn)行。可見(jiàn)食物的重量決定了小家蟻個(gè)體的負(fù)重行為。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以看出，搬運(yùn)的食物重量越大，單位時(shí)間移動(dòng)的距離越短，搬運(yùn)速度越慢。

選輕策略

采用投食觀察的方法，觀察1小時(shí)的時(shí)間內(nèi)不同小家蟻個(gè)體在扇形弧面上不同的6個(gè)食物堆面前的選擇情況。可以看出：在1小時(shí)的時(shí)間內(nèi)不同的小家蟻19次首先選擇了質(zhì)量在5.5mg以下的食物上舉前行，3次選擇了質(zhì)量在5.5mg以上的食物拖行(其中2次在拖拉過(guò)程中放棄)?？梢?jiàn)在負(fù)重行為的選擇策略上小家蟻一般選擇的是較輕的食物，被選擇的食物一般在5.5mg以下，負(fù)重方式為上舉前行。

螞蟻算法(antcolonyoptimi-zation)告訴我們，螞蟻總能找到運(yùn)輸食物回巢的較短途徑的原因與螞蟻傳遞的化學(xué)信息的多少有關(guān)。而小家蟻的這種選輕策略與螞蟻算法中最短路徑的形成的道理有相似之處。選輕在于提高搬運(yùn)速度，縮短搬運(yùn)食物到蟻巢的時(shí)間，此外在回巢途中碰到同伴概率也會(huì)加大，有利于在較短時(shí)間內(nèi)留下和傳遞更多的化學(xué)信息，從而可以吸引更多的同種螞蟻參與運(yùn)輸食物，有利于食物堆的整體搬運(yùn)。

個(gè)體負(fù)重的方式作為一種行為信息影響到其他小家蟻的行為

在研究拍攝到的小家蟻負(fù)重行為的視頻資料時(shí)發(fā)現(xiàn)：在搬運(yùn)食物時(shí)，當(dāng)小家蟻的負(fù)重方式為上舉前行時(shí)，相遇的同伴不會(huì)幫忙共同搬運(yùn)；當(dāng)負(fù)重方式為拖拉后退時(shí)，相遇的同伴往往會(huì)幫助來(lái)一起拖拉，由1只拖拉變?yōu)?只集體拖拉甚至更多只參與，即使拖拉的食物質(zhì)量并不大，個(gè)體完全能搬運(yùn)的情況下也常常出現(xiàn)。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)集體搬運(yùn)的速度比單獨(dú)拖拉時(shí)加快了?？梢?jiàn)個(gè)體負(fù)重行為可以看成一種昆蟲(chóng)的行為信息，如同蜜蜂跳舞一樣。這種小家蟻上舉前行的負(fù)重行為可以解讀為：“我不需要幫助，我自己能行”；而拖拉后退的行為可以解讀為：“我需要幫助，請(qǐng)幫我一起搬”。實(shí)驗(yàn)表明，不同的搬運(yùn)行為信息會(huì)影響其他小家蟻的行為。

集體負(fù)重時(shí)螞蟻在食物周圍大致是均勻分布的

拍攝小家蟻的負(fù)重行為，回放研究時(shí)發(fā)現(xiàn)：集體負(fù)重時(shí)螞蟻在食物周圍大致是均勻分布的。圖3顯示了不同數(shù)量的小家蟻在搬運(yùn)時(shí)的分布情況。

在觀察過(guò)程中我發(fā)現(xiàn)螞蟻在搬運(yùn)食物回巢時(shí)，搬運(yùn)的路線并不是單一的直線，而是較復(fù)雜的曲線。這種分布特點(diǎn)有利于運(yùn)輸過(guò)程中迅速改變運(yùn)輸方向。研究發(fā)現(xiàn)2只螞蟻在搬運(yùn)時(shí)，一般采取的方式是“八”字形左右分布；3只螞蟻共同搬運(yùn)時(shí)采取的是“Y”形分布；4只為“X”形分布；更多只則為周圍均勻分布。從受力分析的角度來(lái)看，均勻分布受力方向分散，不利于物體向某一方向快速運(yùn)動(dòng)，但觀察發(fā)現(xiàn)螞蟻在搬運(yùn)食物回巢時(shí)，并不是按單一的方向運(yùn)動(dòng)的，而是不斷地改變運(yùn)動(dòng)的方向。其實(shí)，對(duì)螞蟻這種微小的昆蟲(chóng)來(lái)說(shuō)，食物搬運(yùn)所處的環(huán)境是高低不平、常有障礙的復(fù)雜環(huán)境，在復(fù)雜多變的環(huán)境中食物的搬運(yùn)方向不可能是單一的，而是多變的。均勻分布的負(fù)重方式，有利于螞蟻迅速改變運(yùn)動(dòng)的方向來(lái)適應(yīng)復(fù)