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蚁群的“神经系统”

蚂蚁是我们常见的昆虫之一。它们是典型的社会型群体,个体间具有明确的分工,例如善于步行奔走的工蚁负责外出觅食、建造巢穴;体型较大的兵蚁负责保护蚁群;蚁后负责繁殖后代等。蚁群中明确的分工与人体内各大系统的分工及合作很相像,兵蚁就像我们的皮肤系统,蚁后像是生殖系统,负责大部分工作的工蚁像我们的神经系统。

你也许会好奇,蚁群中地位最低的工蚁怎么会是神经系统呢?原来在一种叫做针毛收获蚁的蚁群当中,工蚁的觅食行为和人类神经系统中信息的传递有极大的相似之处。这是美国斯坦福大学生态学家在一项研究中发现的。

工蚁间的信息传递

在针毛收获蚁的群体中,有一群负责外出探险的工蚁,它们先出门探查周围的环境,看外面有没有刮风和发大水,或是蜘蛛等天敌。如果它们没有回来,那些在洞穴口待命负责觅食的工蚁就知道外面暂时不安全。然后很快又会有下一批工蚁出门探险。总之当探险的工蚁回到巢穴里,说明外面是安全的,于是待命的第1组工蚁就会在3秒内立刻出去觅食。第2组工蚁会在洞穴口待命,等待第1组工蚁回归时带来信息。如果第1组工蚁发现的食物很多,第2组工蚁也会立刻行动。第1组工蚁则在放好食物后,继续在洞穴口待命,形成一个紧凑的觅食链。如果第1组工蚁迟迟没有回来,或是回来后说发现的食物很少,第2组工蚁就不会离开洞穴了。

工蚁们不仅采集食物的效率非常高,而且它们在“评估”风险上也做得非常优秀。它们深知“得不偿失”的道理,不会耗费过多的资源去采集较少的食物。科学家们认为,这种行为类似于人类神经系统中的反馈调节。

反馈调节指的是神经系统会对人体其他系统的需求做出反应,有的调节起到促进的作用,有的起抑制的作用。举个简单的例子,例如当你肚子饿的时候,你的胃会告诉大脑,大脑会提醒你需要进食了,然后你就会去找东西吃,这是身体各系统共同合作完成一个行为的正反馈调节过程;当你吃了很多东西以后,胃部会告诉大脑食物已经足够了,然后你的大脑就会告诉你别再吃了,你就知道自己已经饱了,这就是一个大脑抑制你行为的负反馈调节过程。在这两种反馈类型的驱动下,我们人类的身体机能才得以保持平衡。

相似的反馈系统

科学家们把蚁群的觅食行为和人类神经系统做比较,蚁群外出探险的工蚁类似于人类神经系统中的输入信息,探险工蚁给在洞穴口待命的工蚁提供信息,由后者判断外出觅食与否。很简单,如果食物很多,觅食工蚁选择出门觅食,探险工蚁对觅食工蚁起到了兴奋作用,是正反馈机制;反之如果食物量很少,觅食工蚁就不会出门了,是负反馈机制。

我们人类靠两种反馈机制达成身体需求的平衡,缺少其中一种都会使身体发生异样,蚂蚁也一样。在工蚁的觅食行为中,一味地相信探险工蚁带回来的信息是不行的,蚁群得学会抉择,才能保证自身的安全。例如在1936年,一位生物学家目睹了一群蚂蚁围着一棵树不停地转圈,这群转圈的蚂蚁是根据之前来过这里探险的蚂蚁留下的信息素踪迹来行动的。它们没有思考这里到底有没有食物,就只是盲目地跟着信息素走,然后越来越多的蚂蚁加入这个转圈队伍,最终这些蚂蚁就累死了。就像人类“正反馈”一样,当肚子饿了,就不停地吃,吃饱了也不给大脑“负反馈”,以至于吃撑。

如果这些蚂蚁和针毛收获蚁的觅食工蚁一样认为外头没有食物或是有什么潜在危险就不走出巢穴,那就不会发生这样的事了。觅食工蚁的行为不仅能保证蚁群的安全,还能使它们快速适应新的环境,例如探险工蚁在外出了解新环境后,会回来告诉觅食工蚁,觅食工蚁再告诉洞穴里的蚂蚁,这样几乎蚁群里的蚂蚁都知道外头的环境是什么样的,从而做出自己的选择。

蚂蚁的行为和我们人类神经系统的工作机制如此类似,发现这一点有什么用处呢?由于我们大脑内部的信息传递非常迅速,并且是发生在分子层面上的,所以通过直接观察来研究几乎是不可能的。如果能通过观察针毛收获蚁群体的行为,比如准备出门觅食的工蚁与觅食回来的工蚁的交互次数、交互时间等,收集数据并建立数学模型研究人类大脑神经系统,那便是人类大脑神经学一个的重大突破。

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