冉浩：超个体 自组织下的蚂蚁群体行为

科普作家冉浩

　　“CC讲坛”（第十二期）于2016年4月9日，在北京大学百周年纪念讲堂举行。科普作家冉浩出席并演讲。

　　以下为演讲实录：

　　大家好！

　　我是搞蚂蚁的，所以今天我带来的话题也是蚂蚁。

　　蚂蚁在昆虫当中是进化的比较成功的生物。它们从大约距今一亿多年前开始，到现在为止，已经有了超过一万两千个物种。它们分布在我们这个星球上除了南极洲以外所有的大陆上。它们占到了动物总量的10%，总重量和我们人类大体相当。在这一亿多年的进化当中，形成了它自己的生存策略。它们圈养蚜虫、粉蚧，获取它们的排泄物，里面有一点糖，有一点氨基酸，尝起来是甜的，所以我们蚁学家委婉地称之为蜜露。它们采集树叶，在南美的切叶蚁，一窝切叶蚁的食量相当于一头牛，甚至人们说它是南美洲非常重要的食草动物。它们用这些叶子去培养真菌收获蘑菇，拥有它们自己的农业。这样的一窝切叶蚁，它们的巢穴当中可以有八百万个个体。它们在地下构筑了庞大的王国。但是，它们同样可以占领树冠层。黄猄蚁在亚欧非大陆，热带、亚热带地区，它们把叶子聚合在一起，用幼虫吐的丝把叶子粘起来，在树冠上形成一个一个的叶巢，成为树冠层的王者。

　　蚂蚁的成功使它们桀骜不驯，它们敢于攻击进犯比它们大的多的生物，比如说我。我在野外的时候，主要的事情就是找蚂蚁，但是不是所有的时候我都能看到蚂蚁，有的时候我只能看到蚂蚁窝，所以我要怎么做呢？方案A，我找到那个窝以后，趴下去然后向那个窝里边吹上一口气，人类的气息惊扰了蚂蚁，它们说发生了什么事情呢？然后它们就出来了。但是前提条件，你必须要认识蚂蚁的洞口。因为你可能吹到的是一个蜂窝，这种情况下，当你看到第一只蜂飞出来的时候，你要迅速撤离。如果那个时候，蚂蚁还不出来怎么做呢？我们可以用一个狗尾草，把狗尾草抽出来，用它的茎把它伸到，蚂蚁的窝里边去搅一搅。然后蚂蚁就会愤怒，这一窝大头蚁大概有几十只，它们列着队向我冲来，准备要惩罚我。然后我把它们全部抓到瓶子里做成了标本。是什么给了蚂蚁这样的勇气去挑战一个对它们来讲，大的夸张的未知生物呢？因为它们有集体。

　　在一个蚂蚁巢穴里面可能有很多类型的工蚁，有生殖的雌蚁、雄蚁，还有蚁后。这样的一个巢穴组织在一起，它们能做很多事情。它们能做什么样的事情？这是个蚂蚁窝，是用石膏溶液灌注到蚂蚁窝里边，然后当石膏凝固以后，我们把它挖出来再拼接到一起的时候，就看到了这样一个蚂蚁窝。这样的一个蚁窝实际上非常常见。现在这个季节蚂蚁已经出来活动了，就在我们的外边，正在活动的蚂蚁巢穴可能有一半都能达到这个规模。下角是我们在野外挖掘的一窝蚂蚁，那还没有到这个蚂蚁的底层就已经这么深了。这是一个什么概念呢？如果把蚂蚁放大到人的尺度上的话，这相当于我们在地下构筑了一个深达三四百米的地下要塞。在我们的脚下，到处都是这样的地下要塞。当然我要特别强调一下的，就是这个跟千里之堤溃于蚁穴是没有关系的。因为造成堤坝崩溃的，不是蚂蚁而是白蚁，白蚁并不是蚂蚁，它们比蚂蚁古老，它们同样有土栖的种类。前不久，引以自豪的宗门，昆虫纲的等翅目被撤销了，它们变成了蟑螂。它们是社会性的蟑螂，而蚂蚁它的祖先是蜂类，它们是社会性的蜂类。但是现在摆在我们面前的一个问题是什么呢？这样的一个巢穴，蚂蚁怎么从宏观上去把握它去形成这样的一个体系。即使是蚂蚁当中最强大的体形最大的，也许是最聪明的蚁后，它的大脑也不会比一个盐粒更大。那在这种情况下，我们把它进行了建模。我们发现，整个蚁巢实际上是由一个一个的单元构成的，水平的巢室和垂直的通道。当蚂蚁觉得它需要一个新的房间的时候，它只需要再去建造一个这样的模块。它并不知道这个巢穴现在是什么样子的，蚂蚁通过个体的行为就形成了一个复杂的洞穴体系。

　　这个东西我们今天称之为自组织。

　　个体的行为最终导致群体的行为形成群体的特征，这样的例子很多。比如说美收获蚁，这种蚂蚁和其他的蚂蚁一样，它们要面临一个非常重要的问题，就是生存。蚂蚁要外出觅食，外出觅食本身是消耗能量的，那么它只有获得足够的回报，那它这一趟才没有白走。如果它外出觅食得到的食物，不能够补偿它外出的消耗，那它就不如在窝里边待着。对于群体来讲也是这样，如果它派出了很多工蚁去寻找食物，然后所有的工蚁空手而归，那它花了很多的能量，但却又得不到补偿，整个群体就要挨饿，甚至最后要灭绝。那在这种情况下，我们观察美收获蚁的话就发现这种事情从来没有出现过。它们似乎能够感知到外界食物资源的多少。当外边的食物资源多的时候，我们看到了很多工蚁外出，当外边的食物资源少的时候，我们看到外出的工蚁很少。蚂蚁遵循了一个什么样的策略呢？它们认为工蚁外出觅食的时候，必须要有了回报获得了食物才会回来。那这样的话在洞口等待着是否需要出发的蚂蚁，就要统计它所遇到的返回的蚂蚁的频率。如果返回的工蚁的数量很多，就说明外边的食物资源很多，它就该出发了。如果反过来，它等不到归来的同伴，就说明外边的植物食物资源很有限，就还待在洞里边。这样的一种策略，在我们今天看来是不是跟我们的人力组织或者资源的调配，有一定的联系呢？能否作为我们的一种借鉴呢。

　　另一个策略是觅食。行军蚁，行军蚁是游猎性的蚂蚁。它们的巢穴可以很大，上百万只的蚂蚁形成一条蚁路搜索食物。那么这条蚁路始终遵循着一个非常简单的原则，主干分成两个支脉，两个支脉每个支脉又分出两个支脉，所有的支脉都在一根主干分成两个支脉。最后我们看到的是一个铺张开的搜索的阵型，那么所有的蚂蚁只是遵循了一个二分的法则。

　　另一种蚂蚁，阿根廷蚁，我们在观察它的时候，看到它的觅食策略又有区别。这个群体似乎能够感知到它们要探索的空间的大小，能够感知到这个地方有多大。当这个空间很大的时候，我们看到蚂蚁都在很简要的进行搜索。当这个空间很小的时候，我们看到蚂蚁的搜索是非常细致的。这个时候蚂蚁又遵循了，一个什么样的策略呢？蚂蚁仍然在统计和它接触的同伴的频率。当和它在接触的同伴的频率比较少的时候，那可能就意味着这个地方很大，蚂蚁很稀少，于是它们选择直线前进。这样的话可以尽可能的探索更大的面积。当它遇到的同伴的数量比较多的时候，说明这个地方可能很狭小，需要它走的空间有限。那么这个时候它们更倾向于走折线，这样细致来搜索这个面积。它采取了这样简单的策略，但是在我们看的时候就好像这个群体，就像一个有智慧的能够感知环境的个体一样，它知道这个面积有多大。实际上整个群体并不知道，它们只是通过了一个简单的策略形成了这样的一个宏观效益。

　　蚂蚁的觅食策略是不是可以用到我们现在的数据的处理或者是路线的寻找上面。实际上有现在的这样科学就是用一些子程序去模拟蚂蚁，然后让它们去自动生成最优的解决办法，这种算法我们称之为蚁群算法。每一种蚂蚁可能都有它比较独特的搜索方式，我们蚁学家要做的就是寻找这些搜索的方式找到这些算法，然后为未来的程序开发寻找素材。

　　频率在很多地方仍有应用，比如说战争。我最喜欢的就是看蚂蚁打架。在我们这个地方，有一种蚂蚁叫做铺道蚁，体形都很小，大概三个毫米左右，颜色是黑色的。可能我们经常在夏季会看到在路边草丛当中会有这样黑压压的蚂蚁在战斗，一层一层的。如果你想看到它，却没有发现，这样的战斗场面的话，我们可以制造。方案A，你可以用一块糖，或者一个比较大的食物，实验成功的前提条件，是这个食物不能太小，否则会被蚂蚁搬走。然后找到两个巢穴，巢穴A和巢穴B，你把这块糖放在一个小铲上边，放到巢穴A的洞口。于是，巢穴A就有工蚁出来觅食，然后当里边的蚂蚁有一定数量的时候，把这个铲子挪到巢穴B的门口。这种情况下，巢穴B的蚂蚁又会出来，然后它发现有异族。是吧，然后它们就要战斗。接下来我们再把这个小铲挪回到巢穴A的门口。这样的话，我们可以把这个战争的规模扩大，同时我们可以观察这个战斗的场面变化。当双方的力量，在发生对比的时候，它们在做什么。当然还可以有其他的，挑逗的方法。比如说把一块糖，一个食物，一个较大的食物，放在两个蚂蚁窝的，交界的地方。甚至你有必要的话，可以找一点零星的小食物，把它们向这个方向引导一下。这样的话我们就观察蚂蚁，我们发现蚂蚁很有趣，它在战斗的时候呢，似乎能够观察到，整个战场的态势。它们知道什么时候该进攻，什么时候该撤退，可是这里边我们需要，面对的一个问题是什么呢？就是它们不能像我们一样，俯瞰整个战场，单个蚂蚁怎么知道，该进攻了，怎么知道该后退了呢？那在这种情况下，蚂蚁又遵循了这个原则，仍然是统计它周围的同伴的频率。它会统计敌人出现的概率，统计自己的同伴的概率。当敌人的概率比较高的时候，说明它的部队是处于劣势的，它们要选择后退。反过来，当它自己的同伴，出现的频率比较高的时候，这就说明它们胜利在望，所以它们要进攻。

　　一个简单的原则，但是给我们的感觉却是一个社团，一个社群，它能够感知到战场的态势，再做出聪明的选择。前不久有一个电影，《复仇者联盟》的新英雄“蚁人”，据说他能够领导蚂蚁大军攻城掠地。但实际上没有蚂蚁听他的，在战争上蚂蚁是靠自己来判断的，不止蚁人说了不算，蚁后说了也不算。蚁后在这个超级群体当中，仅仅是一个生殖单元，蚂蚁保卫它，服侍它，只是为了让它产更多的卵。蚁后并不能够命令工蚁去做这件事情，或者去做那件事情。

　　蚂蚁自组织形成的超个体是一个组织严密的群体。它们是生命从一种简单到复杂的另一种形式。整个蚂蚁巢群就好像是一个潜伏在地下的生物，巢穴是它的外壳，每一只蚂蚁是它的细胞是它的触手。蚂蚁巢穴的主体深藏于地下，这个超级个体伸出它的触手去探查这个世界，随时准备发起肆意的进攻或者收缩回地下，蠢蠢欲动。

　　我们通过蚂蚁了解自组织，自组织可以把个体的能力提升到一个新的水平，可以让群体具备群体智慧。事实上我们聪明的大脑，也是由脑神经元，自组织形成的。包括很多人工智能的形式，我们也采取了向自组织的仿生。比如说前段时间，战胜了韩国九段的李世石的AlphaGo围棋，那它使用的是业内非常火爆的深度学习模式。它实际上也是一种对脑神经组织的模拟。自组织对我们未来来讲可以应用在小型机器人或者是纳米机器人上面，使它们表现出一定的群体行为和群体功能。特别是纳米机器人，因为我们不可能给它编严格的程序，复杂的程序。那这样的话我们就可以让它具备简单的功能，使它们通过群体表现出一定的功能。

　　向蚂蚁学习仅此而已吗？

　　蚂蚁进化了一亿多年，有超过一万两千个物种，而我们今天了解的仍然很少。即使如此，我们也知道有很多东西我们要向它学习。比如说它们顺利的解决了，复杂洞穴系统的通风问题。比如说切叶蚁在种植真菌的时候，能够很好的控制杂菌的生长。而我们自己在种植蘑菇的时候，却要在无菌操作台里进行接种，却要费尽心思地防止杂菌的生长。切叶蚁它们在很早以前就掌握了抗生素。这也将是我们未来抗生素发展的一个方向。再比如说一些蚂蚁能够预感到灾难的到来。比如说生活在潮间带的蚂蚁，它能够感受到涨潮和退潮的变化，能够赶在涨潮之前用自己的脑门顶住树干上的洞口防止水灌到它们的巢穴里边。当然有些潮间带的蚂蚁是会游泳。我们为此到野外去寻找蚂蚁，观察蚂蚁，希望从中能够获得到相应的启示。我们所要做的就是为我们人类去寻找一些新的素材，一些可以借鉴的东西。

　　蚂蚁和人类存在天壤之别。它们是被本能支配的生物，并且在未来仍然会被本能所支配，但是我们人类不一样。我们拥有更复杂的社会组织，我们的个体具有更强的学习能力和智慧，我们开发了科技，拥有了文化，我们将来所能达到的高度，必然会超过它们。但是今天人类社会，还是太年轻了，有很多问题我们还没有解决。蚂蚁通过本能，积累了很多知识写在了它们的基因里面。这是历史时间的沉淀。我们是否应该思考？从它们身上去获取一些有益的东西。为我们未来去寻找一些新的素材，能够让我们也与环境友好的相处。

　　谢谢大家！

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