大自然的建筑师：研究人员揭开了白蚁如何建造巨型巢穴的秘密

这项新研究表明，湿度有助于引导昆虫完成任务。

白蚁通常被称为大自然的建筑师。它们的巢高可达几米，结构复杂而精致，有保证有效交流的通道，巢内自动通风，其方式会让人类工程师羡慕不已。成千上万或数百万的昆虫如何协调它们的工作，为蚁群建造坚固而实用的巢穴？

由卢卡IMT高级研究学院复杂系统教授安德里亚·佩纳（Andrea Perna）协调的一项新研究，已经确定了白蚁完成这些非凡任务的独特机制，并发表在《eLife》杂志上。

为了在实验室里对一种叫“格斯特家白蚁（Coptotermes gestroi）”的白蚁（原产于南亚，但已经传播到美国东海岸）进行实验，研究人员用湿粘土建造了一个小的竞技场，上面有不同高度和形状的人工结构。

然后，他们从一个较大的群体中收集了一小群白蚁，并通过视频跟踪所有白蚁的活动，量化了它们对这些结构的反应，同时描述了3D结构的变化。这样，就有可能检验各种假设，以发现用于筑巢的协调机制。

比较见解与实验

以蚂蚁为例，除了白蚁之外，蚂蚁是另一种能够建造大型复杂结构的昆虫，人们认为蚂蚁在建筑材料中浸染了一种信息素，这种化学物质可以吸引其他蚂蚁到建筑工地，并“告诉”它们在哪里建造。通过这种方式，一只工蚁的行动在一个自我放大的过程中触发了其他蚂蚁的活动。

如果白蚁也像蚂蚁一样，依靠信息素来指导它们的建筑活动，那么它们就不应该表现出在任何特定地点存放建筑材料颗粒的偏好，因为在实验者准备的人工竞技场中没有任何信息素。但事实并非如此：虽然在竞技场中到处都有颗粒收集，但沉积都局限于已经存在的结构的顶部。也许它们能够评估小柱子的高度和地面的异质性，通过这种方式，它们可以在现有结构的基础上不断增加建筑材料。但事实并非如此:事实上，白蚁在矮柱和高柱上放置建筑颗粒的概率是一样的。

另一种假设是，白蚁可能能够感知建筑基底的曲率，因为之前的一些模型表明，在曲率最高的位置不断添加颗粒足以产生非常复杂的结构，类似于某些物种的白蚁巢穴。“在我们的模拟中，我们观察到表面的小异质性比周围平坦的基材具有更高的曲率，因此它们被扩展成一个支柱，支柱的尖端反过来吸引建筑材料的进一步沉积并继续生长，直到它们分裂或与另一个支柱合并，等等；非常复杂的结构可以用这个简单的规则形成，”该研究的第一作者、法国巴黎CNRS Matière et Systèmes complex研究所的研究员朱利奥·法奇尼（Giulio Facchini）说。

事实上，当白蚁面对实验中提供的人工刺激时，它们总是倾向于在曲率最高的位置建造，在柱子的顶部添加颗粒（与它们的高度无关），当提供小的墙壁刺激时，它们最常在墙壁的两个角，曲率最大的两个点上继续添加颗粒。

了解白蚁的感觉能力

问题是：白蚁是如何如此可靠地感知它们正在建造的建筑物的曲率的？研究人员发现，水分蒸发和湿度可能与此有关。安德里亚·佩纳解释说：“白蚁对湿度浓度非常敏感：与大多数其他昆虫不同，它们有薄薄的外骨骼和柔软的皮肤，这意味着即使长时间暴露在低于70%的湿度中，对它们来说也是致命的。它们能感知到这些湿度梯度，并用它们的行为对它们做出反应，这并不奇怪。”

但是如何证明呢？“我们找到了一种解决方案，这是一种‘非常巧妙的低技术解决方案’：我们准备了与白蚁实验相同的实验场所，但这次用碳酸氢钠盐溶液浸渍粘土。盐溶液里的水一蒸发，就留下细小的盐晶体，这些盐晶体的生长标志着蒸发最剧烈的地方，这些地方就是石柱的尖角，墙角，正是白蚁选择来建造房屋的地方！”法奇尼解释道。

安德里亚·佩纳表示：“真正让我们惊讶的是，发现白蚁使用如此简单的解决方案来解决一个非常复杂的问题。在我们的实验中，巢穴的复杂性来自一个简单的机制：白蚁只需要根据当地的湿度添加颗粒材料，但它们添加的颗粒反过来改变了蒸发和湿度的所有模式，诱导其他白蚁在不同的位置建造，等等，直到产生非常复杂的结构。”

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