為什麼螞蟻永遠不會堵車？

在狹小通道中也能保持交通順暢的螞蟻

對於中國各大城市的上班族，每天兩次的交通堵塞都不可避免。令科學家費解的是，蟻群在覓食時，大量的螞蟻會處於搬食回巢和出去覓食的雙向流動中，但它們卻不會發生擁堵。最近發表在elife上的一項研究，揭示了螞蟻不“堵車”的原因：不同於各懷心思的人類，螞蟻群有一個共同的目標——為了群體的生存。

不會“塞車”的螞蟻

相對而言，螞蟻比人類擁有更多的群體行為，算得上是群體行為的典範物種。當一些螞蟻被隔開時，它們是一個個單獨的個體。但它們聚在一起時，更像是一個單獨的整體在採取行動。最近的十年內，科學家也對螞蟻等多種昆蟲的群體行為進行了大量研究。

2008年，德國科學家在實驗室建立了一條微型的、相互交叉的螞蟻通道。螞蟻需要通過這些道路，在巢穴和一個有糖的食物源之間來回爬行。研究人員想以此來觀察，螞蟻會在多快的時間內找到兩者之間最短的路徑。他們最初猜測螞蟻會和人群一樣，出現交通堵塞。然而結果卻和預測的截然不同，實際上一旦去覓食的螞蟻被搬運食物返回巢穴的螞蟻阻擋時，它們就會再去找一條新的替代路徑。

去年，美國佐治亞理工學院的物理學家Daniel Goldman研究了火蟻是如何優化通道挖掘效率的。它們挖的通道其實十分狹小，只能剛好讓兩隻火蟻同時通過，但卻很少發生擁堵現象。這是因為，當一隻火蟻進入已有其他火蟻工作的通道時，它會再去尋找另一個通道。這保證了在任意時間內，只有一部分的火蟻在挖通道。最終30%的火蟻完成了70%的挖掘工作量。

與人類的上下班高峰相比，大量的螞蟻覓食高峰時期的交通情況會更好，這一點仍然非常神祕。最近發表在eLife上的一項研究顯示，即使在很擁擠的條件下，螞蟻仍能維持通暢和高效流動的原因在於，蟻群可以根據環境的改變，採取適當的行為。

自適應保證交通

在最新的一項研究中，法國圖盧茲大學動物認知研究中心和美國亞利桑那大學的科學家，對阿根廷螞蟻（Linepithema humile）進行了試驗。研究中，他們利用橋樑將螞蟻群落與同一個食物源連線。另外，為了更好地調控蟻群的流通密度，他們給不同大小的蟻群（從400只到25600只的螞蟻）分別安排了不同橋面寬度的橋。然後，科學家進行了170次試驗，來監測螞蟻的交通情況，並記錄螞蟻的交通流量（在單位時間內覆蓋給定距離的螞蟻數量，q）、爬行速度（v）和螞蟻之間碰撞的次數（C）。

螞蟻試驗模型

研究人員發現，當螞蟻的數量佔據橋面積的80%時，交通依舊能保持流暢和穩定。而在我們人類的交通中，當行人和汽車才佔到道路面積的40%時，交通速度就開始變緩了。

那螞蟻不會出現交通擁堵的祕訣是什麼呢？研究人員發現，關鍵在於螞蟻能對行為進行自我調節，當螞蟻的數量增加、交通開始擁堵時，它們能根據環境的需要調整和適應新的“交通規則”。

 橋上的螞蟻密度增大時，螞蟻的移動速度下降。

比如當螞蟻進入擁擠的道路時，它們能調節自己的行為，以保證橋上的螞蟻數量不會超過橋寬所能提供的最大流量。

螞蟻在橋上的交通流量，會隨著螞蟻的密度先增加，後趨於穩定。

人類的交通情況主要會受到交通法規、行人或司機之間的交流（一般是因為出現了冒犯行為）和負反饋行為（比如行人或汽車都想方設法往前擠）的調控。而在螞蟻的交通中，更多的是正反饋調節（比如跟隨和強化同伴走過的蹤跡）。螞蟻之間的交流會消耗一點時間，但對整個群體通常是有益的，因為這樣能夠促進資訊的傳遞。

 螞蟻密度增加時，螞蟻間接觸的次數增多，也會使螞蟻花交通上的時間呈線性增加。

而螞蟻之間的交流與交通的動態變化也密切相關。2015年發表的一項研究中，科學家發現火蟻之間交流時間相對較短，只有0.45秒，並且在火蟻達到一個數量閾值之前，它們都能保持交通流暢。

而在新研究發現，阿根廷螞蟻的交流時間大概要比火蟻快2倍。而更短的交流時間也意味著，在更大的交通流量範圍內，這些螞蟻能更快地調節速度，依舊能保持交通的流暢。

集體高於個體的結果

當然，螞蟻並不需要遵守人類社會中的交通規則，比如即使面前沒有任何汽車需要橫穿，汽車司機還是必須在一個紅燈前面停下。“在我們的社會中，交通擁堵之所以普遍存在，是因為每個人都有自己的目的，”研究的作者說，“但蟻群中的螞蟻有一個共同的目標，即群體的生存。因此它們需要團結合作，保證搬回巢穴的食物最多。”

在搬運食物時，它們維持的交通流暢性越好，它們越能將更多的食物運回巢穴。除此之外，2008年發表的一項研究顯示，在個人利益和集體利益之間存在一個天生的矛盾點。正是由於每個人的目的不同，使我們在交通上需要另外花費30%的時間。

研究者認為這是“混亂的代價”。這也是就算擴寬高速公路，也不會減少人類交通擁堵的一個原因。而能改善人類交通問題的方法，可能是封閉主路上的周圍一些岔路，因為這樣可以逼迫司機像螞蟻一樣，去發現另一條替代路徑。

目前，蟻群如何一直保持交通流暢的機制還是未知的。因為這種叢集就像是許多粒子在相互作用的系統，因此通過研究蟻群中螞蟻間的合作，我們能獲得一些有用的原理，來幫助分子生物學、統計物理學和電子通訊等眾多領域的科學家。這些從蟻群中獲得的靈感，或許還能幫助我們給自動汽車程式設計，讓他們像螞蟻一樣能調控行動，提升交通運轉效率。

參考連結：

https://arstechnica.com/science/2019/10/study-ants-are-immune-to-traffic-jams/

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編輯 ∑Gemini

 來源：環球科學

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