quzhizhuo的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/quzhizhuo

博文

蚁群是一个超级生物吗? 精选

已有 14116 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



https://wap.sciencenet.cn/blog-414978-1015766.html

上一篇:晒一晒奥巴马的倒行逆施. 又及:美国最伟大的发明家有哪些
下一篇:一个关于纳什(Game theory)的八卦
收藏 IP: 64.251.155.*| 热度|

56 张骥 蔡小宁 武夷山 王德华 李竞 李维纲 李治 戴小华 雷蕴奇 蔡宁 刘学武 王从彦 杨正瓴 张学文 陈新 姬扬 余国志 肖可青 李红雨 徐令予 石磊 杨洪强 陈楷翰 黄永义 钟定胜 侯成亚 吕喆 梁洪泽 陆绮 张叔勇 王安良 王春艳 王立新 赵斌 余皓 李土荣 陈志飞 王喆 杨金波 高建国 雷博宇 yunml zhjq2016 wangbin6087 liuhaoa1234 wqhwqh333 zjzhaokeqin lixuezhong aliala mathqa guhanxian ZYHDZ cefele yangb919 crossing XY

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (113 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-3-29 03:51

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部