土壤颗粒|嘘，别惹蚂蚁！
研究揭示蚁穴背后的物理学原理
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【土壤颗粒|嘘，别惹蚂蚁！】▲在蚂蚁挖隧道之前，土壤颗粒之间的力链是随机排列的（左），但当蚂蚁挖隧道后，力链会重新排列 。
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▲研究人员站在蚂蚁穴模型旁边 。图片来源：美国加州理工学院
■采访人员 唐凤
在卡通片《别惹蚂蚁》中，卢卡斯欺负小蚂蚁时看到的只有草坪上冒出来的一个小土堆，中间有一个小洞，几只蚂蚁四处乱爬 。蚁丘看上去很普通 。
但当卢卡斯被神奇药水缩小后，一个蚂蚁地下王国展现在他眼前 。隧道向下延伸，不断分支并通向专门的空间：蚁后的家、幼蚁的温床、食物储藏间、垃圾站等 。25英尺的地下，在没有机械和加固材料的情况下，蚂蚁建造了一个能容纳数百万同伴的家园，并能维持数十年 。
现在，利用X成像和计算机模拟技术，美国研究人员揭开了蚂蚁如何建造这些复杂而稳定的结构 。相关论文刊登于美国《国家科学院院刊》 。
有“想”才做
蚂蚁“知道”如何挖隧道吗，还是它们只是盲目地挖？加州理工学院的Jos Andrade一直有这个疑问 。
但Andrade是一名工程师，对蚂蚁“一窍不通”，所以他求助于该校生物学和生物工程助理教授Joe Parker，后者的研究重点是蚂蚁及其与其他物种的生态关系 。
Parker说：“Andrade团队需要一个研究蚂蚁的人，以便深入了解这些群居昆虫的适应性和集体行为，为弄清其挖掘行为机制提供一些生物学信息 。”
《中国科学报》从加州理工学院获悉，研究人员花了近1年时间培养并了解蚂蚁 。他们不仅需要繁殖足够多的蚂蚁进行研究，还需要进行大量试验 。
研究人员在一个容器中建立了小型蚁群，容器中装有500毫升土壤和15只西方收获蚁 。每隔10分钟，高分辨率X射线扫描装置就会捕捉到每一只蚂蚁和每一粒土壤的位置，每次试验持续20小时 。
“蚂蚁有点反复无常，它们想挖就挖 。”Andrade告诉采访人员，“我们把蚂蚁放在一个容器里，有些蚂蚁会马上开始挖掘，并会取得惊人的进展 。但有些可能要花上几个小时，甚至根本不挖 。有些蚂蚁会挖一会儿，然后停下来休息一下 。”
一旦蚂蚁开始行动，研究人员就会对整个过程进行X光扫描，从而生成所有内部隧道的三维扫描图 。研究人员可以借助扫描结果创建模型，显示蚂蚁随着隧道越来越深取得的进展 。
蚂蚁也懂物理学
接下来，研究人员开始分析蚂蚁的实际工作是什么 。
他们发现，首先，蚂蚁会尽可能地提高效率 。它们会沿着容器的内边缘挖掘，因为容器本身能充当隧道结构的一部分，从而减少工作量 。
它们会把隧道挖得尽可能直 。“因为直线是两点之间最短的路径 。而且，它们懂得利用容器的侧面，这表明蚂蚁的工作非常高效 。”Andrade说 。
蚂蚁也会尽可能地挖出陡峭的隧道，一直挖到所谓的静止角 。这个角度代表了颗粒材料在崩塌前可以堆积的最大角度 。
什么是静止角？Andrade提到，想象在海滩上建造一个沙堡 。如果用的是干沙子，加进去的每一勺沙子都会顺着已经堆好的沙子滑下去 。更多的沙子会使沙堆更高、更宽，但永远不会变得更陡 。如果使用湿沙，就能够把沙堆得足够陡峭，以建造墙、塔和沙堡等 。
湿沙比干沙有更高的静止角，蚂蚁能分辨出挖洞时的角度能有多陡，而且不会超过这个角度 。“如果我是一名挖掘者，如果要活下来，我的挖掘技术必须符合物理定律，否则隧道就会坍塌，我就会死 。”他说 。
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