蚂蚁上太空是什么感觉

□ 沈羡云

不知道你是否看过一本名叫《酷蚁安特儿梦幻记——遨游太空的蚂蚁行》童话书，里面描述了一个名叫“安特儿”的蚂蚁，它没有翅膀，却梦想遨游太空。

实际上，蚂蚁上太空早已不是梦想，早在2003年1月16日，“哥伦比亚”航天飞机升空时，就带着 15只蚂蚁上了太空，可惜的是这15只蚂蚁由于航天飞机爆炸成为殉葬品。2004年9月27日我国的第二十颗返回式科学与技术试验卫星发射时，也携带了4只活蚂蚁、30只蚂蚁卵上天。在遨游18天后返回地面时， 4只成蚁不幸“献身”，在太空中孵化的小蚂蚁也全都死亡。但20多只存活的蚂蚁卵中却有几只小蚂蚁破卵而出。2014年1月，是蚂蚁家族史上最光荣的一页，约800只蚂蚁集体上国际空间站，进行了有深远意义的太空实验。

据英国广播公司（BBC）报道，生物学家表示，被送上国际空间站的蚂蚁仍能进行团队协作探索一个新区域，尽管它们仍会从容器壁上掉下来。坠落之后，它们最长在半空中飘浮8秒钟。在空间站的零重力环境下，蚂蚁的“集体探索”活动虽然受到阻碍，但并没有因此停止。经过了最初的磕磕绊绊之后，蚂蚁们掌握了窍门，在零重力环境下重获立足之地。这种能力给生物学家留下深刻印象。科学家希望对蚂蚁的团队协作方式进行研究，利用研究发现为机器人群研发搜寻算法。

飞向国际空间站的蚂蚁

2014年1月12日，一批欧洲铺道蚁乘坐天鹅座补给船进入国际空间站。随后，科学家对它们进行实验，实验结果刊登在《生态学与进化前沿》杂志上。今年，研究小组启动了一项公民科学项目，学生可以参与其中，在教室收集其他蚂蚁种群的数据。研究论文主执笔人、斯坦福大学生物学家黛博拉·戈登在接受英国广播公司节目《科学在行动》采访时表示在地球上的无数环境下，蚂蚁都展露出引人注目的团队协作能力，在国际空间站的零重力环境下表现出这种能力还是第一次。戈登教授说：“最初，我们并不知道蚂蚁会上演怎样的行为，也不知道它们能否在空间站的零重力环境下进行团队协作。”

实验表明在零重力环境下爬行时，蚂蚁在让身体始终接触表面时遭遇一定难度，一旦飘浮起来，它们便展露出令人吃惊的能力，让它们的6条腿重新回到表面。在任何给定时刻，处于飘浮状态的蚂蚁在10%左右。戈登教授表示：“有时候，它们会抓住其他蚂蚁，而后往回爬；有时候，它们设法压低身子，回到表面。我认为背后的生物力学一定非常有趣。”

研究小组选择了8种铺道蚁，每种不超过100只，将它们安置在尺寸很小的透明塑料盒内。每一个塑料盒有一个“巢穴”，充当它们的家。进行实验时，研究人员将一个屏障移走，允许蚂蚁探索一个新区域。几分钟后，他们移走第二道屏障，进一步扩大蚂蚁可以探索的范围。戈登表示：“我们的想法是首先让蚂蚁探索一个很小的空间，而后为它们提供更大的空间，看看相同数量的蚂蚁会有何种反应。”

在地球上，科学家进行同样的实验并与空间站上的实验进行比较。在地球上进行的实验中，科学家为蚂蚁提供更多空间以降低蚂蚁的密度，促使它们改变路线，覆盖和扩散到面积更大的区域。在这种情况下，容器内的几乎每一个角落在5分钟内都被1只以上的蚂蚁造访过。

在空间站上进行的实验中，蚂蚁尽自己最大可能展开探索，像科学家预计的一样移动到新增的空间。不过，它们探索新空间的效率无法与地球上的蚂蚁相提并论，为了让脚留在塑料表面，空间站上的蚂蚁并没有表现出尽可能探索更多空间的倾向。实际上，新空间的一些区域甚至从未被任何一只蚂蚁踏足过。戈登教授表示：“蚂蚁在微重力环境下的表现不及正常环境。我认为造成这种结果的部分原因在于它们需设法让身体留在表面，延缓了它们的移动速度，进而没有机会覆盖整个可用空间。”

尽管竭尽所能，空间站上的蚂蚁仍成群结队地从表面坠落，在空中翻滚的时间从3秒～8秒不等。这种“事故”阻碍了蚂蚁的集体探索活动，不管它们彼此间相隔多远。戈登表示：“我不认为利用交互作用保持彼此间的联系是一件容易的事情，因为在任何给定时刻都有大约10%的蚂蚁四处飘浮。换句话说，它们已无法有效地进行互动。”

从在零重力环境下迈出第一步的那一刻起，这些蚂蚁便创造了历史。在地球上，它们能够适应各种各样的环境，这一次又向它们从未遇到的零重力环境发出挑战。戈登指出：“它们并没有经过很大程度的进化便逐渐适应微重力环境，继续上演集体探索行为。”地球上共生活着1.4万种蚂蚁。在几乎每一个气候条件下，你都能发现至少一种蚂蚁的身影。

在不同的栖息地，蚂蚁会采取不同的策略。以空间站上的欧洲铺道蚁为例，它们往往径直爬向新领地的边缘。在此之前，科学家曾对一种阿根廷蚂蚁进行研究。这种蚂蚁在被放入陌生环境之后往往采取步步为营的策略，一步步缓慢推进，探索全新的环境。戈登表示：“所有蚂蚁都参与集体探索活动，我们不知道它们如何做到这一点。集体探索的背后可能是一种非常有趣的算法，有待我们去发现。”

类似的算法可以帮助机器人成群展开搜索活动，无需借助一个中央控制中心。戈登教授希望世界各地的学生能够帮助它们研究蚂蚁。她的研究小组创建了一家网站，向学生详细介绍实验具体步骤，以便让他们进行同样的实验。她说：“我们希望世界各地的孩子都尝试进行同样的实验。现在，仍有数千种蚂蚁种群从未被研究过。”此外，她还创建了一家网站，用于分享实验结果。戈登还希望创建一个数据库，收录有关“不同蚂蚁种群如何解决这个问题”的信息。

蚂蚁的特殊行为方式

蚂蚁是一种典型的、社会性生活习性的昆虫，它的踪迹几乎遍布全球，除南极洲之外，其它各洲都可以见到它们。这群整天忙忙碌碌、爬个不停的小家伙，有着两个令人莫及的特殊功能。一个是它们有着超人的触角功能。蚂蚁的触角是它生活中最重要的器官，比其他任何器官都重要。它头上的两根触角，总是不停地左右晃动，就像电视机的两根天线，时刻不停地接受外界信息。一只蚂蚁找到食物后，匆匆忙忙奔回巢穴，在碰到另一只蚂蚁，就用触角相互碰一碰，将食物的信息传给对方。这样，一传十，十传百，越来越多的蚂蚁被带出巢穴。它们追随着第1只蚂蚁回巢途中留下的食物气味和肛门排出的特殊气味，就能顺利地找到食物。然后，齐心协力，将食物运回蚁巢。

另一个特点是蚂蚁在寻找食物时，不论分头行动，还是成群结队，都像有人在无声地指挥。这些行为并非来自蚁后的命令或其他力量的支配。根据斯坦福大学科学家的研究，它们是建立在数百万年来蚂蚁自己形成的“规则”。蚂蚁视力不佳，他们在寻找食物时主要依靠嗅觉和触觉来指导自己的行为：当蚂蚁的数量比较密集时，他们更容易互相接触，就通过一种螺旋形的运动来寻找食物；如果蚂蚁的数量较少，相互接触少，就按照一条直线前进方式来搜寻食物。这种密切合作的方式，使它们在寻找食物的过程中，可以更好地与其他蚂蚁联系和在一定时间内可以搜索更多的区域。

小小的蚂蚁，细细的触角，却蕴涵着如此深奥的学问，真令人佩服，也让人深思，它引起了研究机器人技术者的兴趣，他们从蚂蚁寻食中得到启发：在无线通信已经中断的情况下，是否可以让机器人采用蚂蚁的工作方式来支配自己的行动呢？如果能够，当机器人进入有烟雾或灰尘的建筑物中（例如，建筑物着火）进行搜索时，外界的通讯中断，在危险的情况下机器人可以自行启动一个新系统，不需要依靠外面的指挥官告诉它们应该到哪里去，而靠自己来确定行动的方向，那么整个搜索工作将会进行得更快，也可以多快好省地完成搜索任务。这种“自行其是”的机器人，不仅可用于地面，在太空也十分有用。当出现航天器着火、化学物污染、缺氧或出舱行走等通讯中断的情况下，这种智能机器人就可以大展手脚，承担搜救任务了。

仿生学是近年来发展起来的工程技术与生物科学相结合的交叉学科，它是一门通过研究生物系统的结构和性质，为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。这门学科自产生以来，得到广泛的发展和应用，例如，人们根据蝙蝠发射和接收超声波的原理，发明了千里眼——雷达。那么，我们不也可以模仿蚂蚁触角的生物物理和生物化学机制，研制出更好的控制软件，应用到智能机器人中吗？

要将蚂蚁的特殊功能应用到智能机器人设计中，首要的条件是要摸清蚂蚁工作方式的规律和影响因素，才能建立模拟蚂蚁行为的控制程序。而且，现在还不清楚在太空的微重力环境下，蚂蚁的搜索方式会发生怎样的改变。在微重力环境中，人“走路”的方式与地面不同，要花更大的力气，才能实现“太空行走”，而且更容易出现相互干扰，特别是在密度和互动率大时，干扰更大。那么，微重力环境下，蚂蚁之间的接触到底会发生多大改变？对蚂蚁的搜索行为有多大影响？科研人员心中无底，也影响到他们智能机器人的设计。因此，生物学专家和工程人员合作，决定将蚂蚁送上天，对它们在太空中的寻食方式进行研究，为今后新型机器人的研制“打前阵”。

为太空机器人“打前阵”

斯坦福大学生物学教授黛博拉·戈登是这项太空蚂蚁实验的负责人，她最初只是对太空中蚂蚁的脑和胚胎中枢控制系统发生的变化感兴趣，但这次太空蚂蚁实验的目的不仅仅限于从生物学的角度来研究微重力对蚂蚁行为的影响，而是有更重要的目标——为具有自主能力机器人的研制提供科学依据。通过分析蚂蚁如何改变原来的寻食方式来来应对微重力条件下的工作，帮助研制人员开发出新的智能机器人软件，使机器人团队在无线电系统遭到破坏时，可以自动、协调地执行搜索任务。

蚁群在监控它们周围环境，例如识别威胁、寻找食物或勘察新的地形时，常采用的方法是派出一些工蚁作为“侦察小队”，先出去“侦察”感兴趣的区域。因为大多数蚂蚁的视力低下，所有的蚂蚁都是依靠嗅觉来探测，要完成这些任务，单靠一只蚂蚁是不行的，需要通过“侦察兵”小队的协同工作，才能完成任务。那么它们是如何来完成搜索任务和自动协调地工作的呢？

经过数百万年，蚂蚁已经开发一种“软件”，使用与这个“软件”， 它们可以根据情况，自己确定应该采用的搜索方式。 这个“软件”的启动器就是蚂蚁的触角。它们通过触角相互接触的频率，可以判断出自己的周围有多少只蚂蚁，自主地确定协同工作的方式。当蚂蚁生活区域很小时，蚂蚁之间触角接触的频率高，它们会主动地采用小圆环移动方式来仔细地搜索周围区域；当生活区域扩大时，蚂蚁之间触角接触机会降低，它们就自动地改为直线移动方式来搜索，虽然搜索的不那么仔细，但搜索范围扩大了。这种搜索技术被称为“可扩展网络搜索”。

在微重力环境中，蚂蚁的运动方式发生改变，没有重力将蚂蚁“拉向”地面，其活动范围也从原来的两维空间变成三维空间，它们也像航天员在太空一样，行走变得困难。为了适应微重力环境，蚂蚁原来的“可扩展网络搜索”方式将会发生改变。知道蚂蚁是如何适应微重力环境，就可以将其推广到地面搜索机器人的设计。

在太空实验中，8个蚁群分别放到一个像手提电脑一样大小的观察盒中，观察盒被分割成体积不同的三部分，以便观察不同密度蚂蚁在太空中的活动方式。地面设立同样的对照组，比较地面和太空同一大小活动区域蚂蚁的行为，可了解微重力对它们的影响。

进行太空实验时，航天员用摄像机观察记录实验蚂蚁的活动，并将视频数据传送至地面。美国得克萨斯州贝勒医学院的学生观察这一太空实验，对比、分析太空实验组与地面实验组蚁群的活动方式，并将实验结果提供机器人专家，使他们从中受到启发，研制出能够主动进行协作工作的智能机器人。

太空蚂蚁实验的先驱者

此次太空蚂蚁实验进行得十分顺利，成功获得了实验结果。但是，此前的两次太空蚂蚁实验就没有这样幸运了。

第一次“太空蚂蚁”实验是由纽约州锡拉丘兹市福勒中学学生们选送的，在2003年1月16日，参与了“哥伦比亚”航天飞机的“科学研究之旅”。学生们将蚂蚁放到一个称之为“蚂蚁工坊”的容器中，让航天员带到太空，航天员们在太空观察这些蚂蚁的行为和筑巢等情况，并将这些资料通过航天飞机的下行线传给地面的学生。

航天员们在太空进行的实验都很顺利，16天飞行中，航天员完成了大量的科学实验，其中包括学生们的“太空蚂蚁”实验。正当地面的学生翘首以待地等待“哥伦比亚”号航天飞机凯旋归来，将“蚂蚁工坊”带回地面的时候，噩耗传来，“哥伦比亚”号航天飞机在重返大气层的时发生爆炸， 7名航天员全部遇难，15只蚂蚁也成为他们的殉葬品。

美国福勒中学学生们从2000年就开始准备太空实验，他们翻阅资料、提出实验设计、选拔上天的蚂蚁、研制适合蚂蚁太空生活的“蚂蚁工坊”、进行多次地面实验。这样惨痛的结果，怎不令人悲伤。几天后，为了纪念殉难的7名航天员，学生们化悲痛为力量，全心全意地投入到对已经获得的数据分析、总结的工作中去。

在“哥伦比亚”号航天飞机飞行的16天中，航天员每天多次地观察和拍摄蚂蚁的行为和筑巢进程，共进行八十多次实验，航天员们将实验的情况及时地传送到地面。学生们从一个互联网链接中下载每日数据，对所收集的资料进行了回顾和分析，其中包括蚂蚁行为的录像和静态照片。他们原以为上天的蚂蚁也会像航天员一样，在分不清上下、行动迟缓、筑巢速度减慢。但是，观看太空发回的照片和录像后，出乎学生们的预料，太空蚂蚁比地面的蚂蚁更活跃，它们像疯子一样发疯地挖着地道。只是，他们挖隧道的方式与地面蚂蚁不同。地面的蚂蚁是沿着蚂蚁工坊的四周挖隧道，而太空蚂蚁挖隧道的方向没有规律，更随意。为什么会出现这种情况，是太空的微重力环境“迷惑”了蚂蚁，还是其他的原因，至今还是一个谜，这激励了科学家和学生们想继续研究的决心。

这次太空蚂蚁实验虽然没有得到最后的实验数据，但学生们通过实验，增长很多知识，锻炼了观察能力、思维能力、动手能力，开发了潜能智力，对空间科学研究更感兴趣。

第二次是2004年我国的太空蚂蚁实验。2004年10月15日10时43分，一个“铁坨坨”从天而降，砸进了四川省遂宁市大英县民房。后来被证实，这是我国第20颗返回式科学试验卫星的返回舱，它带回了一群汲取宇宙精华的“太空蚂蚁”，其中包括4只成蚁和30只蚂蚁卵。虽然太空之旅异常艰辛，4只成蚁不幸“献身”，在太空中孵化的小蚂蚁也全都死亡。但20多只依然存活的蚂蚁卵却赋予了人们无限希望。从蚂蚁们重返地球那天起，中国农业科学院的专家们就夜以继日地为这些依然存活的蚂蚁卵作孵化准备。13天后，有两只“太空小蚂蚁”破卵而出。

这次进入太空的蚂蚁是一种名叫“拟黑多刺”的食用药用蚂蚁，送它们上天的是四川金蚂蚁生物技术发展有限公司。蚂蚁堪称“微型动物营养宝库”，其体内蛋白质含量高达67%，有28种氨基酸，其中8种为人体所必须。公司从2002成立以来，就用蚂蚁做绿色食品的生意。养蚂蚁就像养蜜蜂，时间一长，种群就慢慢退化。于是他们从太空育种得到启示，想通过太空，促使蚂蚁基因改变，从而培育出优良品种的药用蚂蚁。虽然这次太空之旅没有达到人们的期望，但这是中国第一次太空蚂蚁实验，金蚂蚁公司也开创了我国企业参与太空生命科学研究的先例，故“捐躯”的蚂蚁也可以说“死得其所”。

对于太空蚂蚁实验，BBC评论员仿照阿波罗登月航天员口吻评价道：虽然太空蚂蚁实验对于人类而言只是小小的一步，但是对于整个蚂蚁种族而言却是巨大的飞跃。