空間站裡誰不怕失重?你絕對想不到

2020-11-23 IT之家

據英國廣播公司(BBC)報導,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,儘管它們仍會從容器壁上掉下來。墜落之後,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,但並沒有因此停止。經過了最初的磕磕絆絆之後,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。

2014年1月,這些螞蟻乘坐一艘補給船進入空間站。隨後,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》雜誌上。現在,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、史丹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》採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,我們並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。」

入主國際空間站的螞蟻,被安置在一個特製的塑料容器內。容器上有很多通風孔,允許它們呼吸。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,但並沒有因此停止。

▲空間站上的美國宇航局太空人利用攝影機記錄下整個實驗過程。

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,處於飄浮狀態的螞蟻在10%左右。戈登教授表示:「有時候,它們會抓住其他螞蟻,而後往回爬;有時候,它們設法壓低身子,回到表面。我認為背後的生物力學一定非常有趣。」

▲空間站上的美國宇航局太空人利用攝影機記錄下整個實驗過程。

研究人員創建了一家網站,向學生詳細介紹具體實驗步驟,以便讓他們進行同樣的實驗。史丹福大學生物學家黛博拉-戈登表示:「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,用於分享實驗結果。

研究小組選擇了8種鋪道蟻,一共80隻,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。幾分鐘後,他們移走第二道屏障,進一步擴大螞蟻可以探索的範圍。戈登表示:「我們的想法是首先讓螞蟻探索一個很小的空間,而後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並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隻以上的螞蟻造訪過。

在空間站上進行的實驗中,螞蟻儘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並論,因為後者畢竟擁有正常重力這個「奢侈品」。為了讓腳留在塑料表面,空間站上的螞蟻並沒有表現出儘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隻螞蟻踏足過。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於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。」

儘管竭盡所能,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秒到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繫是一件容易的事情,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:「它們並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,螞蟻會採取不同的策略。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後往往採取步步為營的策略,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。集體探索的背後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,無需藉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,用於分享實驗結果。戈登還希望創建一個資料庫,收錄有關「不同螞蟻種群如何解決這個問題」的信息。

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