螞蟻上太空是什么感覺

□ 沈羨云

不知道你是否看過一本名叫《酷蟻安特兒夢幻記——遨游太空的螞蟻行》童話書，里面描述了一個名叫“安特兒”的螞蟻，它沒有翅膀，卻夢想遨游太空。

實際上，螞蟻上太空早已不是夢想，早在2003年1月16日，“哥倫比亞”航天飛機升空時，就帶著 15只螞蟻上了太空，可惜的是這15只螞蟻由于航天飛機爆炸成為殉葬品。2004年9月27日我國的第二十顆返回式科學與技術試驗衛星發射時，也攜帶了4只活螞蟻、30只螞蟻卵上天。在遨游18天后返回地面時， 4只成蟻不幸“獻身”，在太空中孵化的小螞蟻也全都死亡。但20多只存活的螞蟻卵中卻有幾只小螞蟻破卵而出。2014年1月，是螞蟻家族史上最光榮的一頁，約800只螞蟻集體上國際空間站，進行了有深遠意義的太空實驗。

據英國廣播公司（BBC）報道，生物學家表示，被送上國際空間站的螞蟻仍能進行團隊協作探索一個新區域，盡管它們仍會從容器壁上掉下來。墜落之后，它們最長在半空中飄浮8秒鐘。在空間站的零重力環境下，螞蟻的“集體探索”活動雖然受到阻礙，但并沒有因此停止。經過了最初的磕磕絆絆之后，螞蟻們掌握了竅門，在零重力環境下重獲立足之地。這種能力給生物學家留下深刻印象。科學家希望對螞蟻的團隊協作方式進行研究，利用研究發現為機器人群研發搜尋算法。

飛向國際空間站的螞蟻

2014年1月12日，一批歐洲鋪道蟻乘坐天鵝座補給船進入國際空間站。隨后，科學家對它們進行實驗，實驗結果刊登在《生態學與進化前沿》雜志上。今年，研究小組啟動了一項公民科學項目，學生可以參與其中，在教室收集其他螞蟻種群的數據。研究論文主執筆人、斯坦福大學生物學家黛博拉·戈登在接受英國廣播公司節目《科學在行動》采訪時表示在地球上的無數環境下，螞蟻都展露出引人注目的團隊協作能力，在國際空間站的零重力環境下表現出這種能力還是第一次。戈登教授說：“最初，我們并不知道螞蟻會上演怎樣的行為，也不知道它們能否在空間站的零重力環境下進行團隊協作。”

實驗表明在零重力環境下爬行時，螞蟻在讓身體始終接觸表面時遭遇一定難度，一旦飄浮起來，它們便展露出令人吃驚的能力，讓它們的6條腿重新回到表面。在任何給定時刻，處于飄浮狀態的螞蟻在10%左右。戈登教授表示：“有時候，它們會抓住其他螞蟻，而后往回爬；有時候，它們設法壓低身子，回到表面。我認為背后的生物力學一定非常有趣。”

研究小組選擇了8種鋪道蟻，每種不超過100只，將它們安置在尺寸很小的透明塑料盒內。每一個塑料盒有一個“巢穴”，充當它們的家。進行實驗時，研究人員將一個屏障移走，允許螞蟻探索一個新區域。幾分鐘后，他們移走第二道屏障，進一步擴大螞蟻可以探索的范圍。戈登表示：“我們的想法是首先讓螞蟻探索一個很小的空間，而后為它們提供更大的空間，看看相同數量的螞蟻會有何種反應。”

在地球上，科學家進行同樣的實驗并與空間站上的實驗進行比較。在地球上進行的實驗中，科學家為螞蟻提供更多空間以降低螞蟻的密度，促使它們改變路線，覆蓋和擴散到面積更大的區域。在這種情況下，容器內的幾乎每一個角落在5分鐘內都被1只以上的螞蟻造訪過。

在空間站上進行的實驗中，螞蟻盡自己最大可能展開探索，像科學家預計的一樣移動到新增的空間。不過，它們探索新空間的效率無法與地球上的螞蟻相提并論，為了讓腳留在塑料表面，空間站上的螞蟻并沒有表現出盡可能探索更多空間的傾向。實際上，新空間的一些區域甚至從未被任何一只螞蟻踏足過。戈登教授表示：“螞蟻在微重力環境下的表現不及正常環境。我認為造成這種結果的部分原因在于它們需設法讓身體留在表面，延緩了它們的移動速度，進而沒有機會覆蓋整個可用空間。”

盡管竭盡所能，空間站上的螞蟻仍成群結隊地從表面墜落，在空中翻滾的時間從3秒～8秒不等。這種“事故”阻礙了螞蟻的集體探索活動，不管它們彼此間相隔多遠。戈登表示：“我不認為利用交互作用保持彼此間的聯系是一件容易的事情，因為在任何給定時刻都有大約10%的螞蟻四處飄浮。換句話說，它們已無法有效地進行互動。”

從在零重力環境下邁出第一步的那一刻起，這些螞蟻便創造了歷史。在地球上，它們能夠適應各種各樣的環境，這一次又向它們從未遇到的零重力環境發出挑戰。戈登指出：“它們并沒有經過很大程度的進化便逐漸適應微重力環境，繼續上演集體探索行為。”地球上共生活著1.4萬種螞蟻。在幾乎每一個氣候條件下，你都能發現至少一種螞蟻的身影。

在不同的棲息地，螞蟻會采取不同的策略。以空間站上的歐洲鋪道蟻為例，它們往往徑直爬向新領地的邊緣。在此之前，科學家曾對一種阿根廷螞蟻進行研究。這種螞蟻在被放入陌生環境之后往往采取步步為營的策略，一步步緩慢推進，探索全新的環境。戈登表示：“所有螞蟻都參與集體探索活動，我們不知道它們如何做到這一點。集體探索的背后可能是一種非常有趣的算法，有待我們去發現。”

類似的算法可以幫助機器人成群展開搜索活動，無需借助一個中央控制中心。戈登教授希望世界各地的學生能夠幫助它們研究螞蟻。她的研究小組創建了一家網站，向學生詳細介紹實驗具體步驟，以便讓他們進行同樣的實驗。她說：“我們希望世界各地的孩子都嘗試進行同樣的實驗。現在，仍有數千種螞蟻種群從未被研究過。”此外，她還創建了一家網站，用于分享實驗結果。戈登還希望創建一個數據庫，收錄有關“不同螞蟻種群如何解決這個問題”的信息。

螞蟻的特殊行為方式

螞蟻是一種典型的、社會性生活習性的昆蟲，它的蹤跡幾乎遍布全球，除南極洲之外，其它各洲都可以見到它們。這群整天忙忙碌碌、爬個不停的小家伙，有著兩個令人莫及的特殊功能。一個是它們有著超人的觸角功能。螞蟻的觸角是它生活中最重要的器官，比其他任何器官都重要。它頭上的兩根觸角，總是不停地左右晃動，就像電視機的兩根天線，時刻不停地接受外界信息。一只螞蟻找到食物后，匆匆忙忙奔回巢穴，在碰到另一只螞蟻，就用觸角相互碰一碰，將食物的信息傳給對方。這樣，一傳十，十傳百，越來越多的螞蟻被帶出巢穴。它們追隨著第1只螞蟻回巢途中留下的食物氣味和肛門排出的特殊氣味，就能順利地找到食物。然后，齊心協力，將食物運回蟻巢。

另一個特點是螞蟻在尋找食物時，不論分頭行動，還是成群結隊，都像有人在無聲地指揮。這些行為并非來自蟻后的命令或其他力量的支配。根據斯坦福大學科學家的研究，它們是建立在數百萬年來螞蟻自己形成的“規則”。螞蟻視力不佳，他們在尋找食物時主要依靠嗅覺和觸覺來指導自己的行為：當螞蟻的數量比較密集時，他們更容易互相接觸，就通過一種螺旋形的運動來尋找食物；如果螞蟻的數量較少，相互接觸少，就按照一條直線前進方式來搜尋食物。這種密切合作的方式，使它們在尋找食物的過程中，可以更好地與其他螞蟻聯系和在一定時間內可以搜索更多的區域。

小小的螞蟻，細細的觸角，卻蘊涵著如此深奧的學問，真令人佩服，也讓人深思，它引起了研究機器人技術者的興趣，他們從螞蟻尋食中得到啟發：在無線通信已經中斷的情況下，是否可以讓機器人采用螞蟻的工作方式來支配自己的行動呢？如果能夠，當機器人進入有煙霧或灰塵的建筑物中（例如，建筑物著火）進行搜索時，外界的通訊中斷，在危險的情況下機器人可以自行啟動一個新系統，不需要依靠外面的指揮官告訴它們應該到哪里去，而靠自己來確定行動的方向，那么整個搜索工作將會進行得更快，也可以多快好省地完成搜索任務。這種“自行其是”的機器人，不僅可用于地面，在太空也十分有用。當出現航天器著火、化學物污染、缺氧或出艙行走等通訊中斷的情況下，這種智能機器人就可以大展手腳，承擔搜救任務了。

仿生學是近年來發展起來的工程技術與生物科學相結合的交叉學科，它是一門通過研究生物系統的結構和性質，為工程技術提供新的設計思想及工作原理的科學。這門學科自產生以來，得到廣泛的發展和應用，例如，人們根據蝙蝠發射和接收超聲波的原理，發明了千里眼——雷達。那么，我們不也可以模仿螞蟻觸角的生物物理和生物化學機制，研制出更好的控制軟件，應用到智能機器人中嗎？

要將螞蟻的特殊功能應用到智能機器人設計中，首要的條件是要摸清螞蟻工作方式的規律和影響因素，才能建立模擬螞蟻行為的控制程序。而且，現在還不清楚在太空的微重力環境下，螞蟻的搜索方式會發生怎樣的改變。在微重力環境中，人“走路”的方式與地面不同，要花更大的力氣，才能實現“太空行走”，而且更容易出現相互干擾，特別是在密度和互動率大時，干擾更大。那么，微重力環境下，螞蟻之間的接觸到底會發生多大改變？對螞蟻的搜索行為有多大影響？科研人員心中無底，也影響到他們智能機器人的設計。因此，生物學專家和工程人員合作，決定將螞蟻送上天，對它們在太空中的尋食方式進行研究，為今后新型機器人的研制“打前陣”。

為太空機器人“打前陣”

斯坦福大學生物學教授黛博拉·戈登是這項太空螞蟻實驗的負責人，她最初只是對太空中螞蟻的腦和胚胎中樞控制系統發生的變化感興趣，但這次太空螞蟻實驗的目的不僅僅限于從生物學的角度來研究微重力對螞蟻行為的影響，而是有更重要的目標——為具有自主能力機器人的研制提供科學依據。通過分析螞蟻如何改變原來的尋食方式來來應對微重力條件下的工作，幫助研制人員開發出新的智能機器人軟件，使機器人團隊在無線電系統遭到破壞時，可以自動、協調地執行搜索任務。

蟻群在監控它們周圍環境，例如識別威脅、尋找食物或勘察新的地形時，常采用的方法是派出一些工蟻作為“偵察小隊”，先出去“偵察”感興趣的區域。因為大多數螞蟻的視力低下，所有的螞蟻都是依靠嗅覺來探測，要完成這些任務，單靠一只螞蟻是不行的，需要通過“偵察兵”小隊的協同工作，才能完成任務。那么它們是如何來完成搜索任務和自動協調地工作的呢？

經過數百萬年，螞蟻已經開發一種“軟件”，使用與這個“軟件”， 它們可以根據情況，自己確定應該采用的搜索方式。 這個“軟件”的啟動器就是螞蟻的觸角。它們通過觸角相互接觸的頻率，可以判斷出自己的周圍有多少只螞蟻，自主地確定協同工作的方式。當螞蟻生活區域很小時，螞蟻之間觸角接觸的頻率高，它們會主動地采用小圓環移動方式來仔細地搜索周圍區域；當生活區域擴大時，螞蟻之間觸角接觸機會降低，它們就自動地改為直線移動方式來搜索，雖然搜索的不那么仔細，但搜索范圍擴大了。這種搜索技術被稱為“可擴展網絡搜索”。

在微重力環境中，螞蟻的運動方式發生改變，沒有重力將螞蟻“拉向”地面，其活動范圍也從原來的兩維空間變成三維空間，它們也像航天員在太空一樣，行走變得困難。為了適應微重力環境，螞蟻原來的“可擴展網絡搜索”方式將會發生改變。知道螞蟻是如何適應微重力環境，就可以將其推廣到地面搜索機器人的設計。

在太空實驗中，8個蟻群分別放到一個像手提電腦一樣大小的觀察盒中，觀察盒被分割成體積不同的三部分，以便觀察不同密度螞蟻在太空中的活動方式。地面設立同樣的對照組，比較地面和太空同一大小活動區域螞蟻的行為，可了解微重力對它們的影響。

進行太空實驗時，航天員用攝像機觀察記錄實驗螞蟻的活動，并將視頻數據傳送至地面。美國得克薩斯州貝勒醫學院的學生觀察這一太空實驗，對比、分析太空實驗組與地面實驗組蟻群的活動方式，并將實驗結果提供機器人專家，使他們從中受到啟發，研制出能夠主動進行協作工作的智能機器人。

太空螞蟻實驗的先驅者

此次太空螞蟻實驗進行得十分順利，成功獲得了實驗結果。但是，此前的兩次太空螞蟻實驗就沒有這樣幸運了。

第一次“太空螞蟻”實驗是由紐約州錫拉丘茲市福勒中學學生們選送的，在2003年1月16日，參與了“哥倫比亞”航天飛機的“科學研究之旅”。學生們將螞蟻放到一個稱之為“螞蟻工坊”的容器中，讓航天員帶到太空，航天員們在太空觀察這些螞蟻的行為和筑巢等情況，并將這些資料通過航天飛機的下行線傳給地面的學生。

航天員們在太空進行的實驗都很順利，16天飛行中，航天員完成了大量的科學實驗，其中包括學生們的“太空螞蟻”實驗。正當地面的學生翹首以待地等待“哥倫比亞”號航天飛機凱旋歸來，將“螞蟻工坊”帶回地面的時候，噩耗傳來，“哥倫比亞”號航天飛機在重返大氣層的時發生爆炸， 7名航天員全部遇難，15只螞蟻也成為他們的殉葬品。

美國福勒中學學生們從2000年就開始準備太空實驗，他們翻閱資料、提出實驗設計、選拔上天的螞蟻、研制適合螞蟻太空生活的“螞蟻工坊”、進行多次地面實驗。這樣慘痛的結果，怎不令人悲傷。幾天后，為了紀念殉難的7名航天員，學生們化悲痛為力量，全心全意地投入到對已經獲得的數據分析、總結的工作中去。

在“哥倫比亞”號航天飛機飛行的16天中，航天員每天多次地觀察和拍攝螞蟻的行為和筑巢進程，共進行八十多次實驗，航天員們將實驗的情況及時地傳送到地面。學生們從一個互聯網鏈接中下載每日數據，對所收集的資料進行了回顧和分析，其中包括螞蟻行為的錄像和靜態照片。他們原以為上天的螞蟻也會像航天員一樣，在分不清上下、行動遲緩、筑巢速度減慢。但是，觀看太空發回的照片和錄像后，出乎學生們的預料，太空螞蟻比地面的螞蟻更活躍，它們像瘋子一樣發瘋地挖著地道。只是，他們挖隧道的方式與地面螞蟻不同。地面的螞蟻是沿著螞蟻工坊的四周挖隧道，而太空螞蟻挖隧道的方向沒有規律，更隨意。為什么會出現這種情況，是太空的微重力環境“迷惑”了螞蟻，還是其他的原因，至今還是一個謎，這激勵了科學家和學生們想繼續研究的決心。

這次太空螞蟻實驗雖然沒有得到最后的實驗數據，但學生們通過實驗，增長很多知識，鍛煉了觀察能力、思維能力、動手能力，開發了潛能智力，對空間科學研究更感興趣。

第二次是2004年我國的太空螞蟻實驗。2004年10月15日10時43分，一個“鐵坨坨”從天而降，砸進了四川省遂寧市大英縣民房。后來被證實，這是我國第20顆返回式科學試驗衛星的返回艙，它帶回了一群汲取宇宙精華的“太空螞蟻”，其中包括4只成蟻和30只螞蟻卵。雖然太空之旅異常艱辛，4只成蟻不幸“獻身”，在太空中孵化的小螞蟻也全都死亡。但20多只依然存活的螞蟻卵卻賦予了人們無限希望。從螞蟻們重返地球那天起，中國農業科學院的專家們就夜以繼日地為這些依然存活的螞蟻卵作孵化準備。13天后，有兩只“太空小螞蟻”破卵而出。

這次進入太空的螞蟻是一種名叫“擬黑多刺”的食用藥用螞蟻，送它們上天的是四川金螞蟻生物技術發展有限公司。螞蟻堪稱“微型動物營養寶庫”，其體內蛋白質含量高達67%，有28種氨基酸，其中8種為人體所必須。公司從2002成立以來，就用螞蟻做綠色食品的生意。養螞蟻就像養蜜蜂，時間一長，種群就慢慢退化。于是他們從太空育種得到啟示，想通過太空，促使螞蟻基因改變，從而培育出優良品種的藥用螞蟻。雖然這次太空之旅沒有達到人們的期望，但這是中國第一次太空螞蟻實驗，金螞蟻公司也開創了我國企業參與太空生命科學研究的先例，故“捐軀”的螞蟻也可以說“死得其所”。

對于太空螞蟻實驗，BBC評論員仿照阿波羅登月航天員口吻評價道：雖然太空螞蟻實驗對于人類而言只是小小的一步，但是對于整個螞蟻種族而言卻是巨大的飛躍。